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功率设计

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优化开关电源轻载能效的设计方案

导读: 由于拥有较高的效率和较高的功率密度,开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。特别是随着控制芯片的应用,开关电源的电路设计得到了极大的简化,往往只需要在脉宽调制(PWM)控制芯片的基础上再加一些外围器件即可组成开关电源,这更加促进了开关电源的设计和发展。

  由于拥有较高的效率和较高的功率密度,开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。特别是随着控制芯片的应用,开关电源的电路设计得到了极大的简化,往往只需要在脉宽调制(PWM)控制芯片的基础上再加一些外围器件即可组成开关电源,这更加促进了开关电源的设计和发展。从种类来看,开关电源主要包括交流-直流(AC-DC)转换器和直流-直流(DC-DC)转换器两大类型。前者是将输入为50/60Hz的交流电经过整流、滤波等步骤将其转换为直流电压,后者广泛用于对系统中的直流电源进行转换和分配。

  根据拓扑结构的不同,DC-DC转换器包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)、反激(Flyback)、正激(Forward)、推挽(Push-Pull)、半桥(HB)和全桥(FB)等不同类型。不同类型DC-DC转换器的特点各不相同,并且往往有着不同的适用领域。例如,降压、升压和降压-升压转换器非常适合于无需电气隔离的低压控制应用,而反激式转换器则非常适合多输出、高电压的电源应用,这些应用中使用的离线式开关电源工作在110V/220V主电源,并通过使用变压器来取代滤波电感从而实现电气隔离。

  对于离线式开关电源而言,低成本是它的一个重要目标。对于其中所用的PWM控制器而言,设计人员可以选择不同的架构,如固定频率(FF)和准谐振(QR)等。对于前者而言,它的开关频率固定,其轻载能效和满载能效都处于正常范围,工作模式方面可以是连续导电模式(CCM)或非连续导电模式(DCM)。对于后者而言,它的开关频率可变,其满载能效最佳,但在轻载时则由于谷底跳变问题(噪声),它的工作模式是边界导电模式(BCM,亦称临界导电模式,CRM)。在变压器尺寸方面,固定开关频率架构属于正常,而准谐振架构则较大;但准谐振架构的电磁干扰较小,而固定开关频率架构则较大。对于这两种架构而言,都面临着相同的问题,就是必须提升在更宽输入负载范围下的能效,并改善待机能效。

  除了这两种架构,固定导通时间(FON)架构近年来越来越多地受到业界瞩目。在这种架构下,峰值电流保持恒定,且可由用户选择;而开关频率则会变化(改变关闭时间),以提供所需的输出功率,它在频率最高时提供的输出功率也就最大。FON的工作原理如图1所示。

 

  

  图1:固定导通时间(FON)架构的工作原理。

 

  与固定开关频率架构一样,固定导通时间架构也支持CCM和DCM这两种工作模式。它在这两种模式下的输出功率计算公式如下图所示。如上所述,峰值电流Ipeak通过控制器来保持恒定,开关频率Fsw则由反馈回路进行控制,而要适应不同的输出功率需求,开关频率会发生变化来满足图2中的等式。在缺少回路控制(短路,启动)时,开关频率会被钳位。

 

  

  图2:FON控制器在不同工作模式下的输出功率计算。

 

  在满载条件下,开关频率则会增加,直至其碰到时序电容Ct钳位。而在轻载条件下,峰值电流减小,开关频率下降,这就限制了可听噪声的问题。在轻载时,由于开关频率的下降,与开关频率相关的损耗,如功率MOSFET输出电容Coss和门电荷损耗以及泄漏感抗损耗也会减少。这样一来,开关电源在轻载条件下的能效也会提高。因此,我们也可以得出结论,固定导通时间(FON)控制器可大幅提高开关电源在轻载条件下的能效。图3对不同PWM控制器架构进行了比较。

 

  

  图3:反激开关电源中PWM控制器所涉及的不同控制器架构比较。

 

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