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優(yōu)化開關(guān)電源輕載能效的設(shè)計方案

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1215次  |  2019年12月27日  

由于擁有較高的效率和較高的功率密度,開關(guān)電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。特別是隨著控制芯片的應(yīng)用,開關(guān)電源的電路設(shè)計得到了極大的簡化,往往只需要在脈寬調(diào)制(PWM)控制芯片的基礎(chǔ)上再加一些外圍器件即可組成開關(guān)電源,這更加促進(jìn)了開關(guān)電源的設(shè)計和發(fā)展。從種類來看,開關(guān)電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器和直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器兩大類型。前者是將輸入為50/60Hz的交流電經(jīng)過整流、濾波等步驟將其轉(zhuǎn)換為直流電壓,后者廣泛用于對系統(tǒng)中的直流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分配。


根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,DC-DC轉(zhuǎn)換器包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)、反激(Flyback)、正激(Forward)、推挽(Push-Pull)、半橋(HB)和全橋(FB)等不同類型。不同類型DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)各不相同,并且往往有著不同的適用領(lǐng)域。例如,降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器非常適合于無需電氣隔離的低壓控制應(yīng)用,而反激式轉(zhuǎn)換器則非常適合多輸出、高電壓的電源應(yīng)用,這些應(yīng)用中使用的離線式開關(guān)電源工作在110V/220V主電源,并通過使用變壓器來取代濾波電感從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。


對于離線式開關(guān)電源而言,低成本是它的一個重要目標(biāo)。對于其中所用的PWM控制器而言,設(shè)計人員可以選擇不同的架構(gòu),如固定頻率(FF)和準(zhǔn)諧振(QR)等。對于前者而言,它的開關(guān)頻率固定,其輕載能效和滿載能效都處于正常范圍,工作模式方面可以是連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)或非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。對于后者而言,它的開關(guān)頻率可變,其滿載能效最佳,但在輕載時則由于谷底跳變問題(噪聲),它的工作模式是邊界導(dǎo)電模式(BCM,亦稱臨界導(dǎo)電模式,CRM)。在變壓器尺寸方面,固定開關(guān)頻率架構(gòu)屬于正常,而準(zhǔn)諧振架構(gòu)則較大;但準(zhǔn)諧振架構(gòu)的電磁干擾較小,而固定開關(guān)頻率架構(gòu)則較大。對于這兩種架構(gòu)而言,都面臨著相同的問題,就是必須提升在更寬輸入負(fù)載范圍下的能效,并改善待機(jī)能效。


除了這兩種架構(gòu),固定導(dǎo)通時間(FON)架構(gòu)近年來越來越多地受到業(yè)界矚目。在這種架構(gòu)下,峰值電流保持恒定,且可由用戶選擇;而開關(guān)頻率則會變化(改變關(guān)閉時間),以提供所需的輸出功率,它在頻率最高時提供的輸出功率也就最大。FON的工作原理如圖1所示。



圖1:固定導(dǎo)通時間(FON)架構(gòu)的工作原理。



與固定開關(guān)頻率架構(gòu)一樣,固定導(dǎo)通時間架構(gòu)也支持CCM和DCM這兩種工作模式。它在這兩種模式下的輸出功率計算公式如下圖所示。如上所述,峰值電流Ipeak通過控制器來保持恒定,開關(guān)頻率Fsw則由反饋回路進(jìn)行控制,而要適應(yīng)不同的輸出功率需求,開關(guān)頻率會發(fā)生變化來滿足圖2中的等式。在缺少回路控制(短路,啟動)時,開關(guān)頻率會被鉗位。



圖2:FON控制器在不同工作模式下的輸出功率計算。


在滿載條件下,開關(guān)頻率則會增加,直至其碰到時序電容Ct鉗位。而在輕載條件下,峰值電流減小,開關(guān)頻率下降,這就限制了可聽噪聲的問題。在輕載時,由于開關(guān)頻率的下降,與開關(guān)頻率相關(guān)的損耗,如功率MOSFET輸出電容Coss和門電荷損耗以及泄漏感抗損耗也會減少。這樣一來,開關(guān)電源在輕載條件下的能效也會提高。因此,我們也可以得出結(jié)論,固定導(dǎo)通時間(FON)控制器可大幅提高開關(guān)電源在輕載條件下的能效。圖3對不同PWM控制器架構(gòu)進(jìn)行了比較。



圖3:反激開關(guān)電源中PWM控制器所涉及的不同控制器架構(gòu)比較。


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