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如何有效实现开关电源的待机低功耗的设计方案

作者:时间:2014-01-23来源:网络收藏

引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/226694.htm

随着能源效率和环保的日益重要,人们对待机效率期望越来越高,客户要求电源制造商提供的电源产品能满足BLUE ANGEL,ENERGY STAR, ENERGY 2000等绿色能源标准,而欧盟对的要求是:到2005年,额定功率为0.3W~15W,15W~50W和50W~75W的,待机功耗需分别小于0.3W,0.5W和0.75W。而目前大多数开关电源由额定负载转入轻载和待机状态时,电源效率急剧下降,待机效率不能满足要求。这就给电源设计工程师们提出了新的挑战。

开关电源功耗分析

要减小开关电源待机损耗,提高待机效率,首先要分析开关电源损耗的构成。以反激式电源为例,其工作损耗主要表现为:MOSFET导通损耗。

MOSFET寄生电容损耗

开关交叠损耗,PWM控制器及其启动电阻损耗,输出整流管损耗,箝位保护电路损耗,反馈电路损耗等。其中前三个损耗与频率成正比关系,即与单位时间内器件开关次数成正比。

在待机状态,主电路电流较小,MOSFET导通时间ton很小,电路工作在DCM模式,故相关的导通损耗,次级整流管损耗等较小,此时损耗主要由寄生电容损耗和开关交叠损耗和启动电阻损耗构成。

提高待机效率的方法

根据损耗分析可知,切断启动电阻,降低开关频率,减小开关次数可减小待机损耗,提高待机效率。具体的方法有:降低时钟频率;由高频工作模式切换至低频工作模式,如准谐振模式(Quasi Resonant,QR)切换至脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM), 脉宽调制切换至脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation, PFM);可控脉冲模式(Burst Mode)。

1、切断启动电阻

对于反激式电源,启动后控制芯片由辅助绕组供电,启动电阻上压降为300V左右。设启动电阻取值为47kΩ,消耗功率将近2W。要改善待机效率,必须在启动后将该电阻通道切断。TOPSWITCH,ICE2DS02G内部设有专门的启动电路,可在启动后关闭该电阻。若控制器没有专门启动电路,也可在启动电阻串接电容,其启动后的损耗可逐渐下降至零。缺点是电源不能自重启,只有断开输入电压,使电容放电后才能再次启动电路。而图1所示的启动电路,则可避免以上问题,而且该电路功耗仅为0.03W。不过电路增加了复杂度和成本。

如何有效实现开关电源的待机低功耗的设计方案

 图1 UC3842反激式电源启动电路

2、降低时钟频率

时钟频率可平滑下降或突降。平滑下降就是当反馈量超过某一阈值,通过特定模块,实现时钟频率的线性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和 SG公司的SG6848芯片内置了这样的模块,能根据负载大小调节频率,图2所示是SG6848时钟频率与其反馈电流的关系。

如何有效实现开关电源的待机低功耗的设计方案

图2 SG6848反馈电流与时钟频率的关系

突降实现方法如图3:以UCC3895为例,当电源处于正常负载状态时,Q1导通,其时钟周期为:

当电源进入待机状态时,Q1关闭,时钟周期增大为

即开关频率减小。开关损耗降为降频前的

(小于1)倍。L5991和Infineon公司的CoolSet F2系列已经集成了该功能。

如何有效实现开关电源的待机低功耗的设计方案

图3


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关键词: 开关电源 低功耗 设计方案
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