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电源产品的空载功耗调试
在现在需要电源管理和节省能量的时代,降低电源供应器在待机时的电能消耗越来越重要。已经有一些可以降低切换电源供应器在极轻载或无载时之切换损失和其他额定损失的实际方法被提出来。本篇论文探讨脉衝省略模式(pulse skipping)、脉衝模式(burst mode)及非导通时间调变(off time modulation)。此外,也介绍降低啟动电流和其他损失的技术。 
损失分析 
以图一中典型的反驰转换器(flyback converter)為例,去分析电源转换器的损失。因為反驰转换器低价位和广泛的输入范围的特性,在实际应用层面受到欢迎。对一个反驰转换器而言,主要的损失包括了传导损失(conduction loss)和切换损失(switching loss),以及由控制电路所造成的损失。表二、三、四分别对这些主要损失,包括主要的传导损失和切换损失,控制电路所造成的损失,列出了大约的估算和常用的解决对策。

 

可以很明显的发现无论是传导损失或切换损失,都和切换频率有很密切的关系。降低切 换频率可以有效的降低损耗,特别是在轻载时。但由波宽调变產生器所產生的波宽必须被控制,免得造成磁性元件的饱和。而且,反驰转换器的输出能量可以表示為 Po = (Vdc2 × Ton2 ) /(2 × Lp × T) ×η,其中η代表转换效率。在轻载时,导通时间(Ton)很短暂,增长切换週期(T), 或降低切换频率(fs),是一个很直觉的想法。


降低切换频率 
降低切换频率可以有效的降低电源损失。最近有许多实际降低频率的方法被提出来 
[2-7]。SGS-Thompson[2]及 National Semiconductor[3]提出脉衝省略(pulse skipping)的 技术,根据负载的轻重程度,来决定省略切换脉衝与否,图二表达了脉衝省略模式的概念, 等效降低切换脉衝数目来满足在轻载的低损耗要求。如图三所示,脉衝省略技术的主要缺点 是有可能会因為动态负载的改变造成回授延迟而產生输出电压突降和突昇的情形。 对一个反驰电源转换器而言,输出功率 Po = fs× Lp× Ip2 /2,其中 Lp 是变压器一次侧的 电感,而 Ip 是一次侧电流,Ip = (Vin/ Lp)× Ton,输出电源可以表示成 Po = (fs × Vin2 × Ton2 ) /(2 × Lp),切换週期 T (=1/fs)突然被倍数延展开来。输出功率和电压也因此突然下 降,在那之后,导通时间 Ton会因為输出电压的回授而增加,来稳定输出电压,在这同时,也 造成输出电压突降的情形。另外,当省略的脉衝恢复时,导通时间 Ton也相对突然被延展开来, 造成输出电压突昇的情形。另外,脉衝省略技术是根据特定输出负载变动来决定是否插入或 省略脉衝,在负载微小变化造成输出电压相近时,电源节省的情况就难以察觉。 
  
突衝模式(burst mode)[4]的技术,或称打嗝模式(hiccup mode)或省略週期 模式。如图四所示,当负载突然间下降,控制迴路要求缩短 Ton,在某一个负载程度下,脉衝 模式的控制电路开始防止导通时间 Ton减少,然后同时也开始週期性的遮蔽波宽调变的脉衝。 电源可以透过降低脉衝群宽度,或增加遮蔽週期长度,在不同的负载下,达到节省能量的目 的。此技术有两个明显的缺点,就是低频干扰会和遮蔽週期一起谐震出现,而且负载的突然 改变,也会造成输出电压突降的情形,图五表示可能的输出电压突降。                 
   

  非导通时间调变(off time modulation)[5-7]。图六 表示了非导通时间调变的基本概念,当输出电压掉到临界位準以下时,非导通时间(off time) 随著负载下降而线性增加,切换频率因而线性下降,因此在轻载和无载时可以降低功率损失。 图七提供一个切换频率相对於输出功率的图。非导通时间调变之动态响应应该比脉衝省略模式来得好,因為这是非导通时间是一个週期接一个週期调整。  

 

降低启动损失 
传统的起动电路如图八(a),其中 VSTA 是波宽调变控制器的起始临界电压,TD_ON 则是啟 动延迟(start-up delay)时间,TD_ON = (C1 x VSTA)/IC1 大的输入电阻(Rin)可以有效的降低电阻性 损失,但啟动延迟时间将会延长。在图八(b)是所提的建议电路,為了可以降低在输入电阻(Rin) 所造成的起始损失。其中大的输入电阻可以和小的电容 C1 一起使用,确保啟动延迟时间够 短,而大电容(C2)是用来提供稳定电压给 VDD。使用这种起始电路,起动损失可以非常低, 啟动延迟时间也可以非常短。 
 
结论 
这篇文章探讨降低电源供应器待机功率损耗的方法。首先以数学描述大略估算了主要的 传导、切换和控制电路损失,进而确认降低切换频率為降低待机功率损耗的主要方法,接著 介绍各项已经被专利的降频技术,及其可能的缺失。另外也介绍一个低损失的啟动电路,以 降低啟动电阻的损耗。最后,以本文所提出的方法,製作了一个实验性的交流转换器,其输 出电压电流规格為 12V/5A,在 240V 交流输入且输出无载时,输入功率只有 0.1W。


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