在各種負載條件下保持高效率的電源控制器

在各種負載條件下保持高效率的電源控制器

Power Supply Controller to Keep Efficiency High Across All Loads

此文章先發(fā)表在美國的“Electronic Design”2001年12月刊，香港科匯（亞太）有限公司（Memec）得到此雜志的轉載許可，并做了翻譯。

過去數(shù)十年中，傳統(tǒng)的模擬和脈寬調制（PWM）功率轉換器完全能滿足電源設計的要求，但近來似乎遇到了困難。為了使轉換效率那怕提高1％，也需要在拓撲結構、相關元器件和電路設計等方面做出重大改進。在系統(tǒng)和市場需求不斷推陳出新的壓力下，電源設計師們開始尋求一種能在各種工頻和負載條件下都更靈活、更可靠且性能更出色的產品，當然希望能在不增加成本的前提下，獲得這一切。

利用半導體先鋒iWattInc公司研發(fā)的數(shù)字技術，一種新型的功率轉換控制器不僅能做到這些，而且使電源具有了前所未有的靈活性和可編程能力，這是傳統(tǒng)PWM和其它模擬方法所無法實現(xiàn)的。這些控制器能顯著改善AC/DC和DC/DC功率轉換方案的整機成本和性能，包括隔離和直接耦合轉換器。

iWattInc公司開發(fā)了一種名為“pulse Train”的專利穩(wěn)壓技術。應用這一新技術，iWatt公司推出了一系列新的數(shù)字化開關電源（SMPS）控制器。iWatt公司希望這些新產品能克服老式技術的各種缺點，為電源設計數(shù)字化鋪平道路。

測試表明，對于帶有源功率因數(shù)校正（PFC）電路的60W單級單開關AC/DC轉換器，在85～265V整個工頻電壓范圍內，新的數(shù)字化控制器在各種負載條件下的效率高達80％至89％。如圖1所示。此數(shù)字化控制器具有無需光耦器件；只用初級反饋進行控制而無需反饋電路補償；以及能適應任何拓撲結構的電源等優(yōu)點。

圖1 電源效率

采用PWM控制器的電源在輕負載時效率和穩(wěn)定性通常將明顯降低。pulse Train技術由于無需昂貴的光耦器件和相關元器件，使得電源更便宜、更輕便。與模擬產品不同，這種數(shù)字方案還為250W以下的AC/DC應用提供了內建的有源PFC特性。

pulse Train技術的特點是采用了一對脈沖發(fā)生器（一個功率脈沖發(fā)生器和一個檢測脈沖發(fā)生器）。此方案中，功率脈沖用于變壓器至負載的能量傳遞，而檢測脈沖用于監(jiān)測負載電壓，優(yōu)化程序用于設定脈沖的開通和關斷時間。脈沖比控制器（PRC）利用初級反饋，通過逐脈沖選通固定寬度和固定周期的功率脈沖來實現(xiàn)穩(wěn)壓。如圖2所示。

圖2 脈沖比控制（PRC）示意圖

iWatt首席技術官Mark Telefus解釋道，在傳統(tǒng)的模擬PWM或脈沖頻率調制（PFM）轉換器中，每個功率脈沖的大小是根據(jù)能使輸出電壓正好符合

目標來決定的。與此不同，pulseTrain轉換器的工作更象是數(shù)字化“開關式”伺服系統(tǒng)。pulse Train每個周期對二進制誤差信號取樣，來確定是否發(fā)出功率脈沖，使輸出電壓朝目標方向變動。因此，輸出電壓被限定在目標電壓附近很窄的范圍內。對各種實際應用而言，它比傳統(tǒng)模擬穩(wěn)壓器的紋波更小。

從本質上講，數(shù)字化pulse Train是通過發(fā)出或封鎖功率脈沖來控制輸出電壓的。例如，輸出電壓低于設定電平時，脈沖發(fā)生器就會連續(xù)發(fā)出功率脈沖，直到達到所需電平。同樣地，如果輸出電壓高于所需的電平，它就發(fā)出檢測脈沖而不是功率脈沖。檢測脈沖的開通時間比功率脈沖短得多，傳遞的能量也少得多。如圖3所示。

圖3 功率脈沖控制輸出電壓

有趣的是，此技術還能從穩(wěn)壓過程中分離脈沖形狀。這樣，我們就可以獨立設置開通和關斷時間，來實現(xiàn)各種系統(tǒng)優(yōu)化。關斷時間可設置為確保當在次級電流降為零時，反激式轉換器中的開關才開通。另一方面，開通時間可設置為確保峰值初級電流保持恒定。總之，這些優(yōu)化會使電源轉換器在整個工頻電壓和負載范圍內產生更高效的響應。

iWatt公司針對各種不同AC/DC和DC/DC轉換應用，開發(fā)出了三種實現(xiàn)pulse Train技術的芯片，并在其中集成了其它一些功能，如控制邏輯、波形分析儀、多路復用器、穩(wěn)壓器及驅動器等。iW2101是隔離DC/DC控制器芯片，iW2201為AC/DC控制器芯片，iW2202為內帶有源PFC電路的單片式AC/DC控制器。

與使用復雜電路和普通PWM控制器的其它PFC方案不同，iW2202的PFC和穩(wěn)壓都由單級單開關拓撲結構中的初級反饋提供。如圖4所示。在相同應用中，其它PFC方案都會使大電容兩端電壓超過1000V，而iW2202方案不超過400V。這