怎样提高开关电源的转换效率及降低待机功耗

以反激式电源为例,

其工作损耗主要表现为:MOSFET导通损耗(I*I*Rdston*fs),MOSFET寄生电容损耗

(C*V*V*fs/2),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.

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.

根据上面分析可知,减小/关断启动电阻,降低开关频率,减小开关次数,都可减小待机损耗,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);间隙工作模式(Burst Mode).

1)减小、关断启动电阻

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.现在一般的IC内部都有专门的启动电路,在电源启动后,可关闭启动电阻.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.而下图所示的启动电路,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.

2)降低开关工作频率

3)切换工作模式

1)QRPWM

对于工作在高频工作模式的开关电源,在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗.例如,

对于准谐振式开关电源(工作频率为几百kHz到几MHz),可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM(几十kHz).

2)间歇模式(Burst Mode)

间歇工作模式,也可称为跳周期控制模式(Skip Cycle Mode),是指当处于轻载或待机条件时,由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节,使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效.这样即可实现恒定频率下通过减小开关次数,增大占空比来提高轻载和待机的效率. 以FSQ0365为例:轻载时--输出电压上升--反馈脚电压降低--降到一定的值时,MOSFET停止工作--输出电压降低--反馈脚电压上升--上升到一定值时MOSFET导通. 这个过程大量的减少了MOSFET的开关动作,减少了开关损耗.

但是降频和Burst Mode方法在提高待机效率的同时,可能会带来一些问题,首先是频率降低导致输出电压纹波的增加,其次如果频率降至20kHz以内,可能有音频噪音.

飞兆半导体公司推出绿色FPS e-Series 的全新飞兆功率开关(FPS) 产品系列,可为DVD播放器、机顶盒、LCD显示器和其它25W及更低的电源设计提供高能效和高系统可靠性.这些绿色FPS产品以飞兆半导体专有的谷底导通(valley switching) 技术为基础,与传统的硬开关转换器拓扑相比,能够提高功率转换效率1%,并降低EMI的量可达5dB.这些高度集成的FPS器件结合了完全达到额定雪崩值SenseFET、电流模式脉冲宽度调制(PWM) IC和多种保护功能,有助于简化设计及提高系统可靠性.利用先进的间歇工作模式,绿色FPS e-Series器件可把无负载情况下的待机功耗降至0.2W以下,从而满足待机功耗规范的要求(即在0.5W负载下低于1W).

绿色FPS e-Series产品还采用先进的控制技术,允许功率转换器的工作频率只有少量变化,同时保持谷底导通的工作模式.谷底导通工作模式可把MOSFET的漏电压降至最低时导通,并提供固有频率调制,比较传统的硬开关转换器更可大幅降低EMI噪声达5dB.通过谷底导通工

作模式,这些转换器还能实现软开通,从而将功率转换效率提高1%,并同时大幅减少热量的产生.

相比于分立式MOSFET/控制器、RCC开关转换器或传统的硬开关解决方案,采用绿色FPS e-Series产品的设计由于采用节省空间的8脚DIP 和8脚LSOP封装,并带有包含了多种保护功能的电路,因而可以提供出色的系统可靠性和占位空间优势.这些保护电路包括过压保护(OVP)、超载保护(OLP)、异常过流保护(AOCP) 和热关断保护(TSD) 等.其它特性还包括集成固定振荡器、欠压锁定(UVLO)、优化的消隐和栅极导通/关断驱动器,以及用于环路补偿的温度补偿精密电流源.

全新产品采用专有的谷底导通技术,可提供最高级别的效率,以满足加州能源委员会(CEC)、欧盟行为准则和高能效电器组织(GEEA) 制定的标准要求.

这些产品能够达到甚至超越IPC/JEDEC标准J-STD-020C的要求,并符合现已生效的欧盟标准.