詳解如何實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源待機(jī)低功耗

　　1、引言

　　隨著能源效率和環(huán)保的日益重要，人們對開關(guān)電源待機(jī)效率期望越來越高，客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUE ANGEL，ENERGY STAR， ENERGY 2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟對開關(guān)電源的要求是：到2005年，額定功率為0.3W~15W，15W~50W和50W~75W的開關(guān)電源，待機(jī)功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W。而目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電源效率急劇下降，待機(jī)效率不能滿足要求。這就給電源設(shè)計(jì)工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

　　2、開關(guān)電源功耗分析

　　要減小開關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率，首先要分析開關(guān)電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例，其工作損耗主要表現(xiàn)為：MOSFET導(dǎo)通損耗

　　MOSFET寄生電容損耗

　　開關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動電阻損耗，輸出整流管損耗，箝位保護(hù)電路損耗，反饋電路損耗等。其中前三個(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)成正比。

　　在待機(jī)狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導(dǎo)通時(shí)間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導(dǎo)通損耗，次級整流管損耗等較小，此時(shí)損耗主要由寄生電容損耗和開關(guān)交疊損耗和啟動電阻損耗構(gòu)成。

　　3、提高待機(jī)效率的方法

　　根據(jù)損耗分析可知，切斷啟動電阻，降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率。具體的方法有：降低時(shí)鐘頻率;由高頻工作模式切換至低頻工作模式，如準(zhǔn)諧振模式（Quasi Resonant，QR）切換至脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）， 脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation， PFM）;可控脈沖模式（Burst Mode）。

　　3.1 切斷啟動電阻

　　對于反激式電源，啟動后控制芯片由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機(jī)效率，必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動電路，可在啟動后關(guān)閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路，也可在啟動電阻串接電容，其啟動后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動電路。而圖1所示的啟動電路，則可避免以上問題，而且該電路功耗僅為0.03W。不過電路增加了復(fù)雜度和成本。

　　圖1 UC3842反激式電源啟動電路

　　3.2　降低時(shí)鐘頻率

　　時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內(nèi)置了這樣的模塊，能根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)頻率，圖2所示是SG6848時(shí)鐘頻率與其反饋電流的關(guān)系。

　　圖2 SG6848反饋電流與時(shí)鐘頻率的關(guān)系

　　突降實(shí)現(xiàn)方法如圖3：以UCC3895為例，當(dāng)電源處于正常負(fù)載狀態(tài)時(shí)，Q1導(dǎo)通，其時(shí)鐘周期為：

　　當(dāng)電源進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)，Q1關(guān)閉，時(shí)鐘周期增大為

　　即開關(guān)頻率減小。開關(guān)損耗降為降頻前的

　?。ㄐ∮?）倍。L5991和Infineon公司的CoolSet F2系列已經(jīng)集成了該功能。

　　　　3.3切換工作模式

　　3.3.1 QR→PWM

　　對于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源，在待機(jī)時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如，對于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機(jī)時(shí)切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM（幾十kHz）。

　　IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機(jī)效率的。圖4是IRIS4015構(gòu)成的反激式開關(guān)電源，重載時(shí)，輔助繞組電壓大，R1分壓大于0.6V，Q1導(dǎo)通，輔助準(zhǔn)諧振信號經(jīng)過D1，D2，R3，C2構(gòu)成的延時(shí)電路到達(dá)IRIS4015的FB腳，內(nèi)部比較器對該信號進(jìn)行比較，電路工作在準(zhǔn)諧振模式。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時(shí)候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號不能傳輸至FB端，F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個(gè)門限電壓，不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。

　　圖4 由IRIS4015構(gòu)成的QR/PWM反激式電源電路

　　3.3.2 PWM→PFM

　　對于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開關(guān)電源，，也可以通過切換至PFM模式提高待機(jī)效率，即固定開通時(shí)間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，負(fù)載越低，關(guān)斷時(shí)間越長，工作頻率也越低。圖5是采用NS公司的LM2618控制的Buck轉(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。由圖可見，在輕載時(shí)采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時(shí)的效率，且負(fù)載越低，PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機(jī)信號加在其PW/引腳上，在額定負(fù)載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。