如何降低外置電源的能量消耗
節(jié)能設(shè)計正在席卷整個電子行業(yè)。電子設(shè)備的普遍運用對電網(wǎng)的壓力越來越大，因而節(jié)能就顯得十分有必要了。
政府機構(gòu)和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規(guī)和措施，來鼓舞工程師開發(fā)效率更高的產(chǎn)品，特別是在運用外置電源的時分。要滿足這些法規(guī)，半導體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們不時推出可降低待機功耗、進步效率的產(chǎn)品來到達法規(guī)的請求。
運用外置電源的產(chǎn)品十分普遍，如筆記本電腦、打印機、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等。固然這些產(chǎn)品的單個功耗不大，但其數(shù)量宏大、運用頻繁，效 率每進步一個百分點所節(jié)約的能源也是十分可觀的。據(jù)美國環(huán)境維護署的能源之星方案預(yù)算，進步這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬千瓦時。
能源之星方案始于20世紀90年代，其目的是經(jīng)過進步消費類電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機時的效率來節(jié)能。該方案在2001年停止了擴展，提出了1W議案，請求一些家電和消費類電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機時的功耗小于1W。
要到達能源之星的規(guī)范，一個產(chǎn)品必需滿足在“開啟”或工作形式，以及“關(guān)閉”或無負載(電源曾經(jīng)接到交流市電，但未銜接設(shè)備)兩種狀態(tài)下的效率規(guī)范。這些規(guī)范請參見表1和表2。
表1公式中的Ln指的是自然對數(shù)。能源之星對外置電源的測試辦法會在工作形式丈量在輸出標稱電流的100%、75%、50%、25%時的效率，然后計算四種狀態(tài)下的測試均勻值，在此根底上，再應(yīng)用表1的公式肯定最小的均勻效率。
如今曾經(jīng)有一些具有本錢效益的成熟計劃可滿足上述請求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線性穩(wěn)壓器還被以為是容易設(shè)計且性價比高的方 案。但是，這種設(shè)計不能滿足新的規(guī)范。大多數(shù)外置電源都采用了開關(guān)形式來進步效率。出于對外置電源模塊功率級別的思索，人們通常選用反激式轉(zhuǎn)換器這種拓 撲，這種拓樸能夠運用集成的功率開關(guān)，如FAIRCHILD POWER Switch(FPS)，見圖1。
圖1 普通的反激式轉(zhuǎn)換器能夠運用集成開關(guān)
高電壓FET與控制器封裝在一同，從而減少了器件數(shù)量、本錢和電路板面積。運用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑦\用60Hz變壓器的外置電源的效率，從45%～59%進步到75%～85%，而且還有進一步進步效率的方法。
例如，采用準諧振技術(shù)能夠減少主開關(guān)FET中的開關(guān)損耗，能夠?qū)⑿蔬M步最多5%，為更好天文解這一點，能夠回憶一下硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作過程，參見圖2
圖2 硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的MOSFET波形
當FET關(guān)斷時，包括FET的Coss等在內(nèi)的寄生電容、變壓器電容、反射回來的二極管電容將會充電。當FET重新回到導通狀態(tài)時，這些寄生電容又會對FET放電，由此招致的很大的峰值電流是開關(guān)損耗的主要緣由。
但是，在準諧振轉(zhuǎn)換器中，控制器會檢測FET的源漏極間的電壓，控制器僅在源漏極間的電壓最小時的第一個波谷處使FET導通，開關(guān)頻率與振蕩器無關(guān)，而是取決于主電感、電容、輸入電壓和輸出功率。圖3顯現(xiàn)了這種方式的工作原理。
圖3 源漏極間的電壓最小時的電壓波形
準諧振開關(guān)方式大大削減了電流尖峰，從而也就減小了開關(guān)損耗和EMI。采用這種設(shè)計，能夠完成零電壓、高效率，并減小開關(guān)FET上的應(yīng)力。
幾種方法能夠進步待機形式的效率，這些辦法通常都采用降低開關(guān)頻率的技術(shù)，由于在待機狀態(tài)下，開關(guān)損耗占了總損耗的大局部，并且與頻率直接相關(guān)。
假如反激式電源工作在非連續(xù)形式下，輸出二極管的開關(guān)損耗會很低，由于在電壓翻轉(zhuǎn)之前，流過二極管的電流為零。初級側(cè)FET的開關(guān)損耗能夠用式(1)來近似計算，其中VDS是漏源電壓，fSW是開關(guān)頻率，IDSpk是峰值耗盡電流，tSWon和tSWoff)是轉(zhuǎn)換時間。 為改善待機效率，F(xiàn)PS運用了突發(fā)形式來降低待機時的頻率，參見圖4。
圖4 準諧振轉(zhuǎn)換器的突發(fā)形式減少了對電源的運用
當產(chǎn)品的負載進一步減小，反應(yīng)電壓Vfb也會減小。當反應(yīng)電壓低于500mV時，器件會自動進入突發(fā)形式。
主器件依然會繼續(xù)工作，但內(nèi)部的電流限值將會降低，以限值變壓器中的磁通密度。當反應(yīng)電壓繼續(xù)降低時，器件仍將繼續(xù)開和關(guān)。
當反應(yīng)電壓降低到350mV時，器件將中止開關(guān)，電源的輸出電壓將依據(jù)負載電流的大小，成比例地降低，從而使反應(yīng)電壓升高。
當Vfb到達500mV時，器件將重新停止開關(guān)，反復(fù)上面的過程。這種突發(fā)形式的益處是能夠大幅降低在待機形式下糜費的功率。例如，在驅(qū)動0.3W負載時，飛兆公司的FSDH321僅從市電網(wǎng)吸收0.65W的功率。
降低待機形式和活動形式的另一種方法是減小耗費在啟動電阻上的功率，由于除非采用昂貴的切斷電路，在將電源接到交流市電時會用到啟動電阻。 大多數(shù)FPS器件的內(nèi)部有一個高壓電流源，因而不需求啟動電阻。在系統(tǒng)啟動之后，電流源與高壓直流局部的銜接會被切斷，從而節(jié)約更多的能源。
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