SMPS應(yīng)用中新穎超低靜態(tài)功耗的PWM控制概念

摘   要： 本文提出了一種新型可控間歇模式解決方案，它可以獲得極低的功耗，并且提供波動(dòng)非常小的穩(wěn)定電源輸出。利用這種新控制方案，可使開(kāi)關(guān)電源(SMPS)PWM控制器能夠在負(fù)載突然增加的情況下立即響應(yīng)，使輸出電壓不會(huì)在從待機(jī)模式到正常模式的轉(zhuǎn)變過(guò)程中下降太多。本文介紹了這種PWM控制方式，并給出了與其性能相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
SMPS低待機(jī)功耗解決方案概述
近幾年，開(kāi)關(guān)電源的待機(jī)功耗成為一個(gè)熱點(diǎn)話題，針對(duì)不同應(yīng)用和不同功率范圍推出了一些標(biāo)準(zhǔn)。
除了歐美等一些低功耗標(biāo)準(zhǔn)，SMPS制造商還需要更低的待機(jī)功耗，比如0.1W或0.2W。為了滿足越來(lái)越苛刻的要求，本文提出并分析了一些功率處理解決方案。
對(duì)于傳統(tǒng)的SMPS，表1列出了各項(xiàng)功率損耗及其計(jì)算公式。其中，為DC總線電壓；為啟動(dòng)電阻；為通過(guò)MOSFET的RMS電流；為MOSFET導(dǎo)通電阻；為MOSFET開(kāi)啟損耗；為MOSFET關(guān)斷損耗；f為SMPS開(kāi)關(guān)頻率；為MOSFET管開(kāi)啟后的傳導(dǎo)電流；為MOSFET管開(kāi)啟之前漏源電壓；為MOSFET管關(guān)斷前的傳導(dǎo)電流；為MOSFET管關(guān)斷后漏源電壓；為二次側(cè)二極管導(dǎo)通電壓降；為二次側(cè)二極管的平均導(dǎo)通電流；為二次側(cè)二極管關(guān)斷損耗。
由于在待機(jī)條件下，輸出功率很低甚至為零，大多數(shù)SMPS控制器都在不連續(xù)模式(DCM)下工作且占空比極小。由于占空比很小，MOSFET和二極管的導(dǎo)通損耗以及鐵芯損耗可以忽略；在DCM操作下，二次側(cè)二極管的關(guān)斷損耗、MOSFET的開(kāi)啟損耗也可以忽略，因此待機(jī)狀態(tài)下的主要損耗是MOSFET關(guān)斷損耗和啟動(dòng)電阻損耗。
為了獲得低待機(jī)功耗，目前在SMPS設(shè)計(jì)中有一些解決方案被廣泛應(yīng)用。
?可開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)電路
用一個(gè)開(kāi)關(guān)電路替代電阻可以消除啟動(dòng)電阻損耗。在啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)電路開(kāi)通；而當(dāng)IC被激活后，啟動(dòng)電路關(guān)閉?，F(xiàn)有的許多PWM控制器都集成了這個(gè)性質(zhì)，如英飛凌的ICE3DS01G。

圖2 間歇模式原理

圖3 間歇模式下負(fù)載突變

圖4 240VAC下滿載工作。Channel 1：Vds，200V/div；time：5ms/div

圖5 輕負(fù)載間歇模式 240VAC    Channel 1：Vds；200V/div
Channel 3： VFB，2V/div；Channel 4：Vout，50mV/div；time：0.2ms/div

?降頻模式
由于MOSFET關(guān)斷損耗與開(kāi)關(guān)頻率成比例，因而頻率越高損耗越高。然而，從SMPS基本原理可知，在正常工作模式下，需要利用高頻來(lái)減小變壓器和濾波器等器件的尺寸，而在待機(jī)模式下，低頻率有利于減小損耗。所以建議在PWM控制器中采用自動(dòng)降低頻率。在一般的負(fù)載范圍，IC工作在高頻，當(dāng)輸出功率下降到某一特定閾值，IC將會(huì)自動(dòng)減小開(kāi)關(guān)頻率。
降頻模式的優(yōu)點(diǎn)是，IC總是處于激活狀態(tài)，對(duì)整個(gè)負(fù)載范圍輸出穩(wěn)定；若是負(fù)載突然從零增加到滿載，或從滿載下降到零，IC能快速反應(yīng)，輸出電壓下降或過(guò)沖很小，并且可控；265VAC輸入時(shí)，無(wú)負(fù)載條件下的待機(jī)功耗可以到0.7W，如CoolSETTM-F2。其缺點(diǎn)是，為了避免音頻噪聲，頻率不應(yīng)低于20kHz，基于這個(gè)最小開(kāi)關(guān)頻率，待機(jī)功率不可能更低，也不可能滿足0.3W的待機(jī)功耗需求。
?間歇模式
間歇模式下，有兩個(gè)時(shí)間區(qū)間段。在禁止區(qū)間段，MOSFET不動(dòng)作，而在另一個(gè)區(qū)間段則解除此禁止信號(hào)， MOSFET可以傳輸功率。待機(jī)模式下，禁止段的時(shí)間遠(yuǎn)大于解除段的時(shí)間，因而待機(jī)功耗非常低。
?輸出紋波和間歇頻率
圖2給出了間歇模式的基本原理。MOSFET在Ton期間處于工作狀態(tài)，在Toff期間處于關(guān)斷狀態(tài)。Ton期間，傳輸?shù)蕉蝹?cè)的功率是。整個(gè)周期的平均功率是，其中是間歇模式的占空比開(kāi)通時(shí)間，，間歇頻率是。

圖6 無(wú)負(fù)載時(shí)間歇模式  240VAC   Channel 1：Vds，200V/div
Channel 3：VFB，2V/div；Channel 4：Vout，50mV/div；time：5ms/div

圖7 240VAC下負(fù)載從滿載下降到零負(fù)載時(shí)進(jìn)入間歇模式
Channel 1：Vds，200V/div；Channel 2：Iout，1A/div
Channel3：VFB，2V/div；Channel 4：VFB，5V/div；time：5mV/div

圖8 240VAC下從零負(fù)載到滿載時(shí)離開(kāi)間歇模式
Channel 1：Vds，200V/div；Channel 2：Iout。1A/div；
Channel3：VFB，2V/div；Channel 4：VFB，5V/div；time：0.2mV/div

Ton期間的輸出電容電荷變化是：

其中IAV是從輸出電容流出的輸出電流平均值。
平均輸出電壓和輸出電壓紋波是：

可以看出，輸出電壓紋波與輸出電容和間歇頻率成反比。從成本角度講，不宜使用大電容，因此常以增加間歇頻率的做法來(lái)減小輸出電壓紋波到可以接受的程度，但這將增加待機(jī)功耗。所以必須在輸出紋波電壓和待機(jī)功耗之間進(jìn)行折中。
?動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍響應(yīng)
大多數(shù)間歇模式的做法是在Toff期間關(guān)閉PWM控制器而進(jìn)行的。Toff期間，對(duì)輸出電壓沒(méi)有監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，此時(shí)如果輸出電流突然增加，那么PWM控制器不能夠被立即喚醒，輸出電壓僅靠有限的輸出電容上儲(chǔ)存的電荷來(lái)維持。這將導(dǎo)致很大的電壓降落甚至使輸出電壓為零。在下一個(gè)間歇周期，SMPS將重新啟動(dòng)。此問(wèn)題如圖3所示，對(duì)大多數(shù)電器來(lái)說(shuō)這么大的輸出壓降是無(wú)法接受的。

采用間歇模式的新型PWM控制器ICE3DS01G
為了解決負(fù)載突變問(wèn)題，PWM控制器在Toff期間不應(yīng)關(guān)斷。這意味著間歇模式必須由其它方式啟動(dòng)，解決方法之一是通過(guò)反饋電壓來(lái)觸發(fā)。
ICE3DS01G是一種電流模式的PWM控制器。反饋電壓控制變壓器的初級(jí)峰值電流，即輸出功率：。在待機(jī)條件下，由于輸出功率比較低，反饋電壓也很低，可以設(shè)置閾值電壓使得IC進(jìn)入間歇模式。一旦反饋電壓低于，MOSFET停止開(kāi)關(guān)動(dòng)作，沒(méi)有能量傳到二次側(cè)。輸出電壓緩慢降低，反饋電壓由于穩(wěn)壓調(diào)整電路的存在而升高。當(dāng)反饋電壓到達(dá)閾值時(shí)，MOSFET重新開(kāi)啟。假如存在大的負(fù)載突變，反饋電壓將突然增加而大于，IC立即離開(kāi)間歇模式。利用這種反饋控制技術(shù)，輸出電壓紋波可以控制在最小，在輸出功率轉(zhuǎn)換到正常模式時(shí)IC可以迅速反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試
采用ICE3DS01G搭建一個(gè)原型評(píng)估電路，輸出為14V/3.3A。無(wú)負(fù)載、240VAC輸入電壓下，輸入功耗低于0.2W。滿載工作時(shí)的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。
?輕負(fù)載間歇模式
當(dāng)VFB下降到1.3V時(shí)，IC停止開(kāi)關(guān)動(dòng)作。同時(shí)，輸出電壓開(kāi)始下降，VFB上升。當(dāng)VFB達(dá)到4V，MOSFET開(kāi)始動(dòng)作。輸出電壓充電，由于負(fù)載小VFB又降低。從圖5可以看出輸出電壓紋波小于100mV。
?無(wú)負(fù)載間歇模式
在無(wú)負(fù)載條件下，由于輸出電容放電慢而上升較慢。間歇頻率大約是50Hz，遠(yuǎn)低于上面的小負(fù)載情況，在240VAC輸入電壓下輸入功率低于0.2W。如圖6所示。
?從滿負(fù)載到無(wú)負(fù)載的響應(yīng)過(guò)程
假如負(fù)載突然從滿負(fù)載降到零負(fù)載，經(jīng)過(guò)2.5ms延時(shí)之后，IC進(jìn)入間歇模式。延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)外部電容調(diào)整，以避免由于大的負(fù)載變化而突然進(jìn)入間歇模式。圖7所示的輸出電壓過(guò)沖很小。
?從無(wú)負(fù)載到滿負(fù)載響應(yīng)過(guò)程
當(dāng)負(fù)載突然從零負(fù)載到滿負(fù)載時(shí)，VFB立刻上升。在VFB＝4V時(shí)，IC啟動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)動(dòng)作，在VFB＝4.8V時(shí)離開(kāi)間歇模式，輸出電壓降落小于0.3V。如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)
隨著新型間歇模式待機(jī)控制方案的出現(xiàn)，輸出電壓紋波得到了很好的改善，間歇頻率可調(diào)以適應(yīng)輸出功率。一旦發(fā)生負(fù)載變化，PWM IC可以立即進(jìn)入或者離開(kāi)間歇模式，輸出電壓過(guò)載或下降會(huì)減小到最低?！?/p>