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陕西快乐十分投注图:降低外部電源單元的功耗

更新日期:2007-12-19  作者:  來源:光學精密機械網(www.uvcfk.com)收集整理

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來源:21IC中國電子  作者:飛兆半導體公司Carl Walding


“綠色”電源挾著充分優勢在功率電子行業中普及使用。電子設備的日益增多為全國供電網帶來了不斷增長的壓力。此外,節省能源的需求刻不容緩。政府機構和公共事業企業正在制定一系列規范,積極鼓勵工程師開發功效更高的電子產品,尤其是在使用外部電源時。半導體企業正通過不斷推出降低待機功耗、提高效率的新產品,在協助廠商符合這些規范的過程中起著越來越重要的作用。

筆記本電腦、打印機、調制解調器、電池充電器等等,需要外部電源的產品形形式式,不能盡錄。盡管其中許多產品各自消耗的功率甚微,但大量的產品加在一起使用,如因功效提高而節省的能源就非??曬哿?。據美國環境?;な?nbsp;(US Environmental Protection Agency) 能源之星計劃 (Energy Star program) 估計,若提高這些電源的效率,每年便可節省可達320億千瓦小時的能源。

這些產品即使在待機狀態或處于“睡眠”模式時,為了保持產品接通和運行所需的各項功能,仍然需要消耗功率。能源之星計劃是在90年代末期展開,旨在通過提高各種消費電子產品待機時的效率來實現節能。2001年,該計劃隨著1瓦倡議 (One Watt Initiative) 的推出而進一步擴大,1瓦功耗已成為眾多交流電網供電家用產品和消費產品的待機功耗限定值。而這一限制正越來越嚴格,對外部電源而言目前的待機功耗更需要小于1瓦。

能源之星計劃對外部電源的定義是:把交流電網電壓轉換為單路直流或交流低輸出電壓的獨立于終端產品的設備。為滿足能源之星的認證要求,產品必需滿足在正常工作狀態,待機狀態以及空載狀態的效率要求。能源之星對空載的定義是:電源輸入端連接到交流電網上,而輸出端不連接負載。比如,手機拔離了充電器,但充電器仍然插在交流電源插座上。表 1 和表 2 (1) 對這些規范進行了總結。 


 


表中,Ln 代表自然對數。根據能源之星的外部電源測試方法,在工作狀態中輸出電流分別為額定電流的 100%、75%、50% 和 25% 時對效率進行測試,然后算出這四個數值的算術平均值 (2),在此基礎上,利用表 1 列出的公式,即可計算出最小平均效率。




設計工程師必須選定最具成本效益的方法來滿足上述要求。不久之前,獲得所需功率的簡單易行、別具成本效益的方法是采用笨重的60 Hz變壓器的降壓線性穩壓器。然而,這種方案不能滿足上述新規范。因此,大多數外部電源都采用開關模式電源來提高效率。在外部電源所需的功率級方面,反激式轉換器是常見的拓撲選擇。

圖1所示為采用了飛兆半導體功率開關 (FPS™) 的普通輸出反激式電源的??槭疽饌?。 

               
圖1.  采用FPS的反激式轉換器示意圖

這種方案在同一個封裝中集成了高壓FET與控制器,減少了外部元件數目,從而節省成本和PCB板面積。采用成熟的固定頻率反激式轉換器,較之舊有60 Hz變壓器方案,效率可得到大幅度提高。利用 60 Hz變壓器和降壓線性調節器,效率一般在45-50% 范圍;而反激式開關模式電源的效率通??紗?nbsp;75-85%。不過,有些方法可以提高傳統固定頻率反激式轉換器的效率。

例如,可以通過用準諧振技術取代標準固定頻率開關電源來提高效率。準諧振開關模式電源可通過減小主開關FET的開關損耗來提高效率。利用準諧振技術,較之標準固定頻率硬開關轉換器,效率可提高5%。為了更好地理解這一點,我們先回顧一下硬開關變換器的工作過程。圖2顯示了傳統反激式轉換器的開關波形。 
 
圖2.  硬開關反激式轉換器的MOSFET波形

在傳統的反激式轉換器中,當FET關斷時,電路周圍的各種寄生電容包括FET的 Coss、變壓器電容和反射二極管電容等,會進行充電。當FET導通時,這些寄生電容會通過FET放電,產生很大的電流尖峰。而該電流尖峰會造成開關損耗。不過,在準靜態轉換器中,可利用控制器檢測FET的漏源電壓,并在漏源電壓達到第一個最小值或谷底時啟動FET。結果是準諧振轉換器的開關頻率與振蕩器無關,而是和初級線圈電感、諧振電容、輸入電壓及輸出功率有關。圖3顯示了該準諧振開關的工作過程。 
 
圖3.  準諧振狀態下MOSFET的源漏電壓

準諧振開關的結果是大大減小電流尖峰,從而降低開關損耗、提高效率,同時還減少EMI信號。在某些電源設計中,甚至可能獲得零電壓開關。除提高效率之外,開關FET中的應力也得到減輕,因而提高了可靠性。飛兆半導體擁有一系列專門針對不同功率需求而設計的準諧振功率開關。

提高待機模式下的效率方法不太多,通常都類似于降頻技術,因為負載減小時,開關損耗在總體損耗中所占的比例增大。由于初級端FET及輸出二極管的開關損耗與頻率有直接關系,故通過降低頻率可以降低損耗。如果反激式電源工作在斷續電流模式 (DCM)下,由于二極管上的電流在其上電壓反向之前降至零,輸出二極管的開關損耗相當低。初級端FET中的損耗可由式1估算。 


上式中,VDS是漏源電壓,fSW是開關頻率,IDSpk是轉換時的峰值漏極電流,tSWon 和 tSWoff是轉換時間。從式1可見,開關損耗隨開關頻率的減小而減小。許多最新的數字存儲示波器都具有測量開關器件功耗的能力。在獲得漏極電流和漏源電壓之后, 示波器的先進數學功能可以推算出器件的總體功耗。

為了提高待機效率,FPS采用了間歇工作模式方法來降低頻率。圖4顯示了FPS是如何在待機模式下工作的。 

 
圖4.  FPS的間歇工作模式

產品負載減小時,反饋電壓Vfb也隨之減小。當反饋電壓低于500mV時,器件自動進入間歇工作模式。主器件的開關轉換仍在繼續,但內部限流降低以限制變壓器中的磁通密度。隨反饋電壓繼續下降,轉換繼續進行。一旦反饋電壓達到350 mV,轉換停止,電源的輸出電壓以某個由負載電流決定的速率下降。這反過來又使反饋電壓上升。當Vfb上升到500 mV時,轉換恢復,過程重復,反饋電壓又開始下降。這種間歇工作模式的最終結果是大幅降低待機功耗。飛兆半導體的FSDH321就是一個實例,該器件在帶0.3W負載時輸入功率只有0.65 W。

降低待機功耗的另一個方法是減小啟動電阻的功耗。由于使用了啟動電阻,只要電源接通交流電源,電阻就會消耗功率,除非采用了昂貴的斷路電路。但大多數FPS器件都不需要啟動電阻。由于器件內置有高壓電流源,這種功耗會被減小。系統啟動之后,電流源從高壓直流電網斷開,這樣就節省了能源。

參考文獻
1.    ENERGY STAR Program Requirements for Single Voltage Ac-Dc and Ac-Ac External Power Supplies, page 3, 4
2.    Calwell Chris, Foster Suzanne, Reeder Travis; Ecos Consulting; Mansoor Arshad; Power Electronics Application Center (EPRI-PEAC); Test Method for Calculating Energy Efficiency of Single Voltage External Ac-Dc and Ac-Ac Power Supplies, August 11, 2004, page 9. 

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