摘要：

在現(xiàn)在能源越來越緊張，是提倡電源管理和節(jié)省能量的時(shí)代，降低電源供應(yīng)器在待機(jī)時(shí)的電能消耗顯得越來越重要和緊迫。目前已經(jīng)有一些可以降低開關(guān)電源供應(yīng)器在極輕載或無載時(shí)的功率損耗，和其它額定損耗的實(shí)際方法被提出來。本文主要以反激式開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器為例討論如何降低開關(guān)電源的空載損耗。最后是各集成控制器廠商針對(duì)降低空載損耗所開發(fā)出的10W左右輸出功率的產(chǎn)品的簡(jiǎn)介和比較。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源、空載損耗、開關(guān)損耗

針對(duì)目前能源越來越緊張，各國(guó)政府針對(duì)空載損耗(即輸出為空載時(shí)的輸入功率消耗，又稱待機(jī)損耗)都相繼出臺(tái)了相關(guān)的法律法規(guī)，如美國(guó)的“能源之星”(EnergyStar)，聯(lián)邦政府采購指令(FEMP)，德國(guó)的“藍(lán)色天使”(BlueAugle標(biāo)準(zhǔn)，歐洲經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)(EEC)的EU指令和中國(guó)節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證委員會(huì)(CCEC)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等。其中EU指令最為詳盡，制定了嚴(yán)格的規(guī)范，表一所列是在不同的額定瓦數(shù)下的詳細(xì)規(guī)定。很快的，在各個(gè)層面都會(huì)采用低于1W待機(jī)功率損耗的電源。

表一：歐洲經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)對(duì)無載的消耗之規(guī)定

損耗分析?

以下就以圖一中典型的反激式轉(zhuǎn)換器(fly-back converter)為例，來分析電源轉(zhuǎn)換器的損耗。因?yàn)榉醇な睫D(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單、成本低和寬電壓輸入的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用層面受到歡迎。對(duì)一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器而言，主要的損耗包括了開關(guān)損耗(switching loss)和傳導(dǎo)(conduction loss),以及由控制電路所造成的損耗。表二、三、四分別對(duì)這些主要損耗，包括主要的開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗和控制電路所造成的損耗，列出了大約的估算，和常用的解決對(duì)策。

?圖一? 典型的反激式轉(zhuǎn)換器

表二 主要的開關(guān)損耗

表二 主要的開關(guān)損耗

表三 主要的傳導(dǎo)損耗

?表四 控制電路的主要損耗

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可以很時(shí)顯的發(fā)現(xiàn)無論是開關(guān)損耗還是傳導(dǎo)損耗，都和開關(guān)頻率有很密切的關(guān)系。降低開關(guān)頻率可以有效的降低損耗，特別是在輕載時(shí)。但由脈寬調(diào)整產(chǎn)生器所產(chǎn)生的脈沖寬度必須被控制，以避免造成磁性組件的飽和。而且，反激式轉(zhuǎn)換器的輸出能量可以表示為Po=（Vdc2xTon2）/（2xLpxT）xη，其中η代表轉(zhuǎn)換效率。為了降低輕載功率損耗，在輕載時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間（Ton）很短暫，增大開關(guān)周期（T）或降低開關(guān)頻率（fs），一個(gè)最簡(jiǎn)單的辦法就是降低開關(guān)頻率。

降低開關(guān)頻率可以有效的降低電源損耗。最近有許多實(shí)際降低頻率的方法被提出來。SGS-Thompson及National Semiconductor提出脈沖省略（Pulse skipping）的技術(shù)，根據(jù)負(fù)載的輕重程度，來決定省略開關(guān)脈沖與否。圖二表達(dá)了脈沖省略模式的概略念，等效降低開關(guān)脈沖數(shù)目來滿足在輕載的低損耗要求。

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圖二?? 脈沖省略的概念

Philips提出突沖模式（burst mode）的技術(shù)，或稱打嗝模式（hiccup mode）或省略周期模式。如圖三所示，當(dāng)負(fù)載突然間下降，控制迦路要求縮短Ton，在某一個(gè)負(fù)載程度下，脈沖模式的控制電路開始防止導(dǎo)通時(shí)間Ton減少，然后同時(shí)也載始周期性的遮蔽波調(diào)變的脈沖。電源可以透過降低脈沖群寬度，或增加遮蔽周期長(zhǎng)度，在不同的負(fù)載下，達(dá)到節(jié)省能量的目的。

圖三? 突沖模式的概念

崇貿(mào)科技（System General）提出了非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)變（offtime modulation）。圖四表示了非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)變的基本概念，當(dāng)輸出電壓掉到臨界位準(zhǔn)以下時(shí)，非導(dǎo)通時(shí)間（off time）隨著負(fù)載下降而線性增加，開關(guān)頻率因而線性下降，因此在輕載和無載時(shí)可以降低功率損耗。非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)變之動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)該比脈沖省略模式來得好，因?yàn)檫@是非導(dǎo)通時(shí)間是一個(gè)周期接一個(gè)周期調(diào)整。

圖四 非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)變之概念

降低起動(dòng)損耗

傳統(tǒng)的起動(dòng)電路圖如圖五（a），大的輸入電阻（R1）可以有效的降低電阻性損耗，但啟動(dòng)延遲時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。在圖五（b）是所提的建議電路，為了可以降低在輸入電阻（R1）所造成的始起損耗。其中大的輸入電阻可以和小的電容C1一起使用，確保啟動(dòng)延遲時(shí)間夠短，而大電容（C2）是用來提供穩(wěn)定電壓給VDD。使用這種始電路，起動(dòng)損耗可以非常低，啟動(dòng)時(shí)間也可以非常短。

?（a）傳統(tǒng)電路?????????????????????????????? （b）建議電路

圖五 起動(dòng)電路

實(shí)際應(yīng)用

輸出功率10W左右的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器在便攜式產(chǎn)品的充電器、個(gè)人計(jì)算機(jī)上的待機(jī)電源等上的應(yīng)用已十分普遍。由于空載損耗的要求，加之市場(chǎng)對(duì)電源的集成度要求也越來越高，許多電源管理芯片廠商紛紛推出集成控制器，即把脈沖寬度調(diào)制控制器和MOSFET封裝在一個(gè)IC內(nèi)。下面就以此類型IC中性能相近的ON Semi的NCP1014、ST的VIPer22A、Fairchild的FSDM0265、PI的TNY256、Infineon的IEC3B0365J和Sanken的STR-A6159為例作簡(jiǎn)介和對(duì)比。

各種針對(duì)降低空載損耗的IC的出發(fā)點(diǎn)都是一樣，即在空載時(shí)盡量減少開關(guān)次數(shù)，即降頻，降頻的具體方法前面已有介紹，目的是使開關(guān)器件工作時(shí)間僅在一個(gè)非常短的工作區(qū)，而大部分時(shí)間都是沒有工作的區(qū)域。需要注意的是降低空載時(shí)需同時(shí)須兼顧到輸出電氣特性和EMC。

對(duì)于集成控制器而言，影響轉(zhuǎn)換效率的最大因素在于其內(nèi)部的MOSFET，而導(dǎo)通損耗會(huì)占到MOSFET工作時(shí)的大部分，所以其內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通電阻Rd son可作為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)參考指標(biāo)。Rd son越低，表于MOSFET在導(dǎo)通時(shí)間消耗的能量越少。表五列出了各廠商的集成控制器在Tj=250C時(shí)的Rdson。

表五? 各廠商的IC在Tj=250C時(shí)的Rds on

經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明，這各廠商的集成控制器各有千秋，但在降低空載損耗都有不俗的表現(xiàn)，均可以達(dá)到相關(guān)法規(guī)要求。圖六是筆者收集整理的實(shí)驗(yàn)后待機(jī)功率的參考數(shù)據(jù)，可供大家參考。

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圖六 經(jīng)實(shí)驗(yàn)后空載功率的參考數(shù)據(jù)

結(jié)論

這篇文章探討降低開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器空載損耗的方法。首先以數(shù)學(xué)描述大略估算了主要的

開關(guān)、傳導(dǎo)和控制電路損耗，進(jìn)而確認(rèn)降低開關(guān)頻率為降低待機(jī)功率的主要方法，接著介紹各項(xiàng)已經(jīng)被專利的降頻技術(shù)，及其可能的缺失。另外也介紹一個(gè)改進(jìn)后的開關(guān)電源啟動(dòng)電路，以降低啟動(dòng)電阻的損耗。最后是較常用的各集成控制器廠商針對(duì)降低空載損耗所開發(fā)出的10W左右輸出功率的產(chǎn)品的簡(jiǎn)介和性能比較。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何降低开关电源空载损耗的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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