利用多工作模式提高AC/DC转换器效率

2万 · 2014-8-19 00:44

　当前在AC/DC应用中，电源转换效率和节能性能的提高变得越来越重要，满负载效率在AC/DC电源设计中一直是一项主要考虑因素。现在我们最关心的是，如何在轻负载和空负载时实现更好的节能性能，因为越来越多的电源适配器在待机模式下由电网进行供电。由于在全球此类适配器的数量增长迅速，因此大家正在开发新的节能标准。

　　这些新标准概括了对电源的要求，以在不同的工作模式下进行更好的能源利用。为了符合这些新的节能要求，准谐振控制和谷值电压开关(Valley-Voltage Switching)等技术，以及包括跳脉冲(pulse-skipping)在内的多模式工作模式越来越受到行业的关注。其高效性证明了这些技术可以实现AC/DC转换器从空负载到满负载模式优化的效率提高和功耗降低。越来越多的绿色模式IC采用了这些技术以控制不同拓扑结构的转换器。

　　降低待机功耗

　　当前越来越多的AC/DC电源转换器具有取代真实物理电源开关的待机模式。也就是说，在它们的主要功能不工作的时候，电气设备仍存在功耗。最常见的待机功耗出现于诸如使用遥控的电视机和视频设备、无绳电话和无线路由器等具有外部低压电源的电子设备、复印机和打印机等办公设备，以及用于膝上型电脑的电池充电器等设备的应用。待机模式下单个转换器的实际功耗很小，通常是0.3到20W。然而，待机功耗每时每刻都在发生，且此类设备数量众多，因此全球范围内的待机功耗是以指数级快速上升的。若将所有功耗汇总起来，则这些很低的功耗数值将相当可观。据估计，在欧盟待机功耗已经占了家庭和办公用电量的10%，在美国大约占总用电量的4%。

2万 · 2014-8-19 00:44

　　为了降低待机功耗并提高整体负载范围，国际上正在制订新的标准。其中，美国环保总署(EPA)的“能源之星”是国际认可度最高的标准之一。能源之星包含了广泛的不断完善的标准，以实现在空负载和轻负载条件下的节能，在标准工作模式下更高的效率，更少的总谐波失真(THD)以及一致的单位功率因数(PF)。表1就是正在制定的这些标准的其中一个例子，显示了单一电压外部AC/DC和AC/AC电源的能源之星标准。

表1：外部AC/DC和AC/AC电源的能源之星标准。

2万 · 2014-8-19 00:44

　　新型电源架构和控制技术的提议和制定应符合这些新标准，有源钳位和复位、转移模式和交错式多相PFC、跳脉冲、准谐振控制和谷值电压开关仅仅是其中的几个例子。其中，带准谐振控制或谷值电压开关和跳脉冲的反激式变换器是最出色的技术解决方案之一。反激式变换器由于其具有结构简单、成本低廉、器件数量少、易于控制、支持多种输出电压轨等优点，而被广泛应用于消费类电子应用。为了提高效率和节约能源，同样配置的反激式变换器可用软开关进行操作，比如准谐振控制。配置有软开关时，会降低功耗。由于准谐振控制，一次主开关具有低很多的启动电压。先前充到开关电容的能源将重新流回电源，从而极大提高效率。相对而言，硬开关的CCM和DCM模式都会有很高的启动损耗。为在整个负载范围内更好地降低功耗，反激式变换器可在不同模式下工作，比如频率返送模式(FFM)和绿色模式，具体的工作模式视不同的负载条件而定。在FFM模式下，开关频率随着负载的降低而降低—从而减少开关损耗。当负载很小时(磁滞模式，也称为绿色模式或猝发工作模式)，使用跳脉冲技术来启动反激式变换器。跳脉冲减少了开关损耗并在轻负载和空负载时实现了更佳的低功耗模式。对于具有前端PFC预调节器的应用而言，可以在负载很小时关闭PFC工作模式以节约更多的能源。

2万 · 2014-8-19 00:45

　　反激式控制IC就是利用这些技术开发的。比如，TI最近推出的UCC28600准谐振绿色模式反激式控制器就是此类IC的一种。它在反激式变换器中的典型配置如图1所示。下文中我们将进一步讨论这些技术是如何提高AC/DC转换器的效率并优化节能的。

图1：UCC28600的典型应用。

2万 · 2014-8-19 00:45

　准谐振控制和谷值电压开关

　　准谐振控制描述的是一款工作在临界传导模式下具有零电压开关(ZVS)或谷值电压开关(VVS)的反激式变换器。造成ZVS/VVS的是LC谐振，主要来自反向变压器的初级绕组电感和初级主MOSFET开关(CDS)两端总的等效电容。MOSFET两端的电压在谐振开关过程中降低。反激式控制器检测到电压下降并在谷值点启动一次开关，如图2所示。

2万 · 2014-8-19 00:45

　谷值电压有两种不同的情况：

　　 (方程1)

　　其中，N为变压器匝数比。在该条件下，得到的次级电压足够高，能使初级电压VDS为零。因此，初级侧MOSFET可以在其两端为零电压时启动。

　　 (方程2)

　　在这一条件下，得到的二次电压不足以使电压VDS为零，只是得到了电压谷值。图2显示了准谐振反激式变换器的典型VVS工作模式。若符合方程1的条件，则谷值电压将为零，从而获得ZVS。

2万 · 2014-8-19 00:45

　ZVS/VVS可极大地节约能源并提高效率.回顾一下电容CDS中存储的能量和在频率fS时的开关功率，这是很容易理解的：

　　 (方程3)

　　方程3表明，在给定电容的条件下，可通过降低电容两端的电压或所使用的开关频率来降低开关功率PSW。

2万 · 2014-8-19 00:45

　具有硬开关的反激式变换器在CDS两端电压很高时启动开关，从而导致很高的开关功率。电容CDS中的存储的能量在下一次启动时消耗于MOSFET通道电阻，从而造成开关功率损耗。此类功耗在离线AC/DC应用中特别重要，此类应用中在线路电压85到265VAC之间进行整流时产生很高的直流连接电压。相反，同样的一个反激式变换器若处于准谐振控制和VVS模式下，则可在降低电压的情况下启动开关。电压通过LC谐振降低，因为存储在电容的能量放电，并重新回到了DC连接电容C BLK ，而不是消耗于MOSFET通道电阻。

　　准谐振反激式变换器功能可以通过反激式准谐振控制器实现。准谐振控制器在不同比例负载到额定满负载条件下都可实现准谐振控制，并可进一步分为可变导通时间控制的标准准谐振模式，和固定导通时间控制(也称为频率返送模式)的准谐振模式。例如，准谐振控制可以设计应用于15%负载到额定满负载的范围，其中，50%到15%的额定负载时，控制器工作于FFM。频率随负载减少而降低，以进一步减少开关功耗。从50%负载到满负载，控制器工作在标准准谐振时随着负载的增加频率也会降低，以减少开关功率损耗。通常要有一个最大的开关频率(通常钳位在150kHz以下)以最小化EMI影响并满足EMI要求。

2万 · 2014-8-19 00:46

　　1．利用跳脉冲提高效率

　　跳脉冲也称为绿色模式或猝发工作模式，可在超轻负载(待机模式或空负载)时最大程度地节能。在此类负载时，可用极少的开关事件实现电压调节，仅在输出电压在调节边界时才需要开关动作，额外的开关动作会造成能源浪费。例如，每一个开关周期中的缓冲电路都会产生能耗，在跳脉冲间隔期间可消除此类能耗。跳脉冲只有在输出电压下降到某一阈值以下时才进行必要的开关动作，此时初级侧控制器会施加一个脉冲到变压器，将输出电压提高到滞后窗口的上限，以保持对输出的调节。开关动作随后停止，使得输出电压衰减，达到滞后窗口的下限，此时开关动作立即恢复。通过这种方式消除了所有不必要的开关能耗。

　　2．轻负载时关断PFC以节能

　　轻负载时PFC没有任何优势。从本质上来说，它所做的一切就是通过偏置和开关过程产生能耗。轻负载时关断PFC会节省所有这些功率，同时对功率因数造成的影响保持最小。一款正确配置的反激式准谐振控制器可能有一个专用引脚实现此类功能，根据该引脚的状态改变提示，在预确定的负载条件下自动关闭PFC。通过增加由一个二极管和一个电阻(如图1中的Ds和Rs)组成的辅助外部电路，此类状态引脚也可用作降低初级侧峰值电流的指示器。这一方面在轻负载时有助于通过降低峰值电流的谐波功率—从而降低功耗，另一方面，也可通过降低流过变压器中的峰值电流减少或消除流可闻噪声。

2万 · 2014-8-19 00:46

　　总结及实例

　　总之，更严格的节能标准要求创新的电源技术，电源需要在整个负载范围内都有很高的效率，并可极大节约能源。基于负载条件，操作不同模式下的使用准谐振控制和跳脉冲技术的反激式变换器可阐明它对AC/DC应用中的节能进行优化的有效性。新开发的IC(如TI推出的UCC28600)是符合新节能标准的最优解决方案之一。图3提供了效率的典型测试结果，而图4则显示了在连接于通用离线输入(带单一18Vdc输出)的65W反激式变换器中使用UCC28600的准谐振控制和跳脉冲技术的待机功率。

图3：使用UCC28600的65W模块的效率测试结果。

2万 · 2014-8-19 00:46

图4：使用UCC28600的65W模块的待机功率测试结果。

利用多工作模式提高AC/DC转换器效率

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