最大化从满负载到空负载时的 AC/DC 效率

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最大化从满负载到空负载时的 AC/DC 效率
来源:中国电子网 时间:2018-11-20

  虽然在 AC/DC 电源设计中最大化满负载时的电源效率是一个优先考虑的因素, 但是待机功耗标准以及新型电源效率标准也隐现出了更多的考虑因素。因此, 除 了“高效”这个一般性课题以外,设计人员还正在努力寻找其他方法来最大化端 到端的节能。
  事实上,对于采用 AC 电源适配器的设计来说,节约几毫瓦的功耗 是一个特别令人关注的问题,这一问题正在全球引起广泛关注。 准谐振控制、谷值电压转换以及多模运行(即脉冲跳跃模式)都可提供一种解决 方案。在本文中,我们将对当今绿色环保型 IC 控制器中所采用的一些技术进行 总结,以最小化转换器整个负载范围内的能源损耗。
  限制待机功耗
  在包括了智能电子产品和“快速”响应在内的设计思路中,当今的 AC/DC 电源 转换器通常会在待机模式上耗费大量的时间,而且总是存在某种电源漏极。无论 我们讨论的是遥控电视机、视频设备、无绳电话或无线路由器的外部低压电源、 办公设备(复印机和打印机)还是诸如笔记本电脑的电池充电器,基本上来说这 都是同一个问题。各个转换器在待机模式下的实际功耗都是非常低的,通常为 0.3W 到 20W。但是无论待机功耗有多低,如果你将其与所使用的消费类电子工 业产品、商业和工业系统的数量相乘以后得到的合计功耗就变的非常大了。
  事际上,待机功耗所用的电力在欧盟国家的家庭和办公用电中占到了 大约10%, 而在美国,待机功耗所用的电力则为总用电量的 4% 左右。诸如能源之星的开发 标准主要关注空负载和轻负载时的能源节约、正常运行时的更高效率、更低的总 谐波失真 (THD) 并接近单位功率因数 (PF)。上表对外部单电压 AC/DC 和 AC/AC 电源的能源之星标准作了总结。
  满足标准要求 系统设计人员如何才能满足能源之星和其他正在开发的国际标准呢?他们先后 采用了有源钳位和复位技术、转移模式和交错式多相 PFC 技术、脉冲跳跃技术、 准谐振控制技术以及谷值电压转换技术。采用准谐振控制、谷值电压转换以及脉 冲跳跃技术的反向转换器就是其中的一种最佳的解决方案。
  广泛用于消费类电子应用的反向转换器不但成本较低、易于控制,而且还可支持 多个输出电压轨(请参见图 1,在此应用中采用了 UCC28600 准谐振芯片)。准 谐振控制让软开关的使用变得更轻松,这样不但提高了效率而且节约了能源。 在 准谐振运行中,次侧主开关具有非常低的开启电压,当其处于关闭状态时,电源 就会再次产生可以为开关电容充电的能源。
 
 
 
  相反,硬开关拓扑结构中连续和非连续电流模式(CCM 和 DCM)运行的开启损耗 非常高。为了在整个负载范围内都实现较好的能源节约的目的,根据负载条件的 不同,反向转换器既可以在频率返送 (FFM) 模式下运行,也可以在脉冲跳跃模 式下运行。当负载降低时,FFM 电路便立即返回到开关频率下工作,从而降低开 关损耗;当负载变得非常轻时,磁滞模式(也称为绿色模式或突发模式)便开始 工作以启动脉冲跳跃。脉冲跳跃不但可以降低轻负载和空负载时的开关损耗,而 且还可以实现更好的节能效果。
  对于具有前端 PFC 预调节器的应用而言,在非常轻的负载时,关闭 PFC 运行可 节约更多的能源。
  电路
  准谐振控制是对运行在临界导电模式 (CrCM) 下采用零电压开关 (ZVS) 或谷值 开关 (VVS) 技术的反向转换器的描述。ZVS/VVS 运行是由反向变压器一次侧绕 组电感和一次侧主 MOSFET 开关 (CDS) 的总等效电容形成的 LC 谐振引起的。在 谐振开关切换过程中,MOSFET 两端的电压会下降。反向转换器检测到该下降并 在谷值点开启一次侧开关。谷值电压开关必须满足两个条件,第一个条件是:
 
 
 
  其中,N 为变压器匝比。在这种条件下,二次侧反射电压 (reflected secondary voltage) 非常高,足以促使一次侧 VDS 电压变为 0。因此,0V 电压就可以将 一次侧 MOSFET 开关开启;第二个条件是:
 
 
 
  在此条件下,二次侧反射电压不能将 VDS 电压转为 0V。相反,我们得到了一个 “电压谷值”。图 2 显示了准谐振反向转换器的典型 VVS 运行。如果满足了第 一个公式的条件,那么谷值电压就会被扩展到 0V。于是,我们就实现了 0 电压 开关。
 
 

 
  ZVS/VVS 不仅大大节约了能源,而且还提高了效率。对于一个给定的电容而言, 开关电源 Psw 由电容器两端的电压 CDS 以及开关频率 fs 决定:
 
 
  采用硬转换的反向转换器将在高电压时开启开关,从而获得高压开关电源。在下 一个开关周期中,储存在电容器 CDS 中的能量将由 MOSFET 通道电阻消耗掉,从 而表现为开关功率损耗。这样的功率损耗在离线 AC/DC 应用中尤其显著,在该 应用中高 DC 链路电压是由整流 85-285 VAC 线电压引起的。
  相反,如果运行在采用谷值开关的准谐振模式下,相同的反向转换器将在较低电 压时开启开关。当储存在电容器中的能量被释放并再循环至 (recycle back) DC 链路电容器 CBLK,而并非由 MOSFET 通道电阻消耗掉时,则电压将通过 LC 谐振 被降低。
  在通常的反向运行中,从小负载到满负载范围的准谐振控制意味着多模运行模 式,以实现最佳的效率。即我们将转换器运行细分为两种模式:具有可变开启时 间变化的正常准谐振模式以及前面所提到的具有恒定开启时间的频率返送 (FFM) 模式。例如,一款准谐振控制可能设计用于 15% 到 50% 的负载范围内运行,期 间其一直处于 FFM 模式运行。随着负载的降低,频率逐渐下降,从而开关电源 损耗进行一步降低。从 50% 负载到满负载,控制器会随着负载的增加而消减其 频率。通常,开关频率被控制在 150 kHz 以下,以最小化 EMI 并满足 EMI 要 求。
  脉冲跳跃
  脉冲跳跃(也称为绿色模式或突发模式)在超轻负载时提供了最佳的节能效果。 在该负载级别,保持输出电压稳定是较容易的。因此,只有当电压趋于不稳定时 才发生开关转换,额外的开关动作只会造成能源浪费。例如,在耗能的缓冲电路 中,每个开关周期上都浪费了大量的能量。如果我们使用脉冲跳跃的话,就可以 避免这种能源浪费。
  只有在输出电压下降至一定阈值以下时,脉冲跳跃才开始进行开关转换。在此期 间,一次侧的控制器将一个脉冲群 (pulse packet) 接入到了变压器,从而将输 出电压提高至磁滞窗口的上限以保持输出电压稳定,然后开关电路将被开启。当 输出电压再一次接近磁滞窗口的下限时,该校正电路就会恢复到工作状态。
  在轻负载时关闭 PFC 以节约能源
  功率因数校正 (PFC) 在轻负载时不能带来实际的好处。从本质上来说,所有电 路都有一定的功耗。一款结构合理的反向准谐振控制器可能会含有一个专用引 脚,以方便地实施该功能并在预定的负载条件下自动关闭 PFC 电路。通过添加 一个较小的外部电路(包括一个二极管和一个电阻器,例如图 1 所示的 Ds 和 Rs),设计人员可以使用状态引脚作为一个指示器,以降低一次侧峰值电流。这 种设计技术有助于降低轻负载时的谐波功耗,从而降低功率损耗。此外,我们还 可降低音频噪声。
  总之,反向转换器通过使用准谐振控制和脉冲跳跃技术将在整个负载范围内保持高效率。图 3 和图 4 显示了一款 65W 反向转换器的典型的最佳测试结果。
 
 
 
 

 
  图 3 显示了准谐振反向转换器的典型效率,而图 4 则显示了脉冲跳跃如何最小化待机功耗时的损耗。

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