SMPS应用中新颖超低静态功耗的PWM控制概念

摘   要： 本文提出了一种新型可控间歇模式解决方案，它可以获得极低的功耗，并且提供波动非常小的稳定电源输出。利用这种新控制方案，可使开关电源(SMPS)PWM控制器能够在负载突然增加的情况下立即响应，使输出电压不会在从待机模式到正常模式的转变过程中下降太多。本文介绍了这种PWM控制方式，并给出了与其性能相关的实验结果。
SMPS低待机功耗解决方案概述
近几年，开关电源的待机功耗成为一个热点话题，针对不同应用和不同功率范围推出了一些标准。
除了欧美等一些低功耗标准，SMPS制造商还需要更低的待机功耗，比如0.1W或0.2W。为了满足越来越苛刻的要求，本文提出并分析了一些功率处理解决方案。
对于传统的SMPS，表1列出了各项功率损耗及其计算公式。其中，为DC总线电压；为启动电阻；为通过MOSFET的RMS电流；为MOSFET导通电阻；为MOSFET开启损耗；为MOSFET关断损耗；f为SMPS开关频率；为MOSFET管开启后的传导电流；为MOSFET管开启之前漏源电压；为MOSFET管关断前的传导电流；为MOSFET管关断后漏源电压；为二次侧二极管导通电压降；为二次侧二极管的平均导通电流；为二次侧二极管关断损耗。
由于在待机条件下，输出功率很低甚至为零，大多数SMPS控制器都在不连续模式(DCM)下工作且占空比极小。由于占空比很小，MOSFET和二极管的导通损耗以及铁芯损耗可以忽略；在DCM操作下，二次侧二极管的关断损耗、MOSFET的开启损耗也可以忽略，因此待机状态下的主要损耗是MOSFET关断损耗和启动电阻损耗。
为了获得低待机功耗，目前在SMPS设计中有一些解决方案被广泛应用。
?可开关的启动电路
用一个开关电路替代电阻可以消除启动电阻损耗。在启动过程中，启动电路开通；而当IC被激活后，启动电路关闭。现有的许多PWM控制器都集成了这个性质，如英飞凌的ICE3DS01G。

图2 间歇模式原理

图3 间歇模式下负载突变

图4 240VAC下满载工作。Channel 1：Vds，200V/div；time：5ms/div

图5 轻负载间歇模式 240VAC    Channel 1：Vds；200V/div
Channel 3： VFB，2V/div；Channel 4：Vout，50mV/div；time：0.2ms/div

?降频模式
由于MOSFET关断损耗与开关频率成比例，因而频率越高损耗越高。然而，从SMPS基本原理可知，在正常工作模式下，需要利用高频来减小变压器和滤波器等器件的尺寸，而在待机模式下，低频率有利于减小损耗。所以建议在PWM控制器中采用自动降低频率。在一般的负载范围，IC工作在高频，当输出功率下降到某一特定阈值，IC将会自动减小开关频率。
降频模式的优点是，IC总是处于激活状态，对整个负载范围输出稳定；若是负载突然从零增加到满载，或从满载下降到零，IC能快速反应，输出电压下降或过冲很小，并且可控；265VAC输入时，无负载条件下的待机功耗可以到0.7W，如CoolSETTM-F2。其缺点是，为了避免音频噪声，频率不应低于20kHz，基于这个最小开关频率，待机功率不可能更低，也不可能满足0.3W的待机功耗需求。
?间歇模式
间歇模式下，有两个时间区间段。在禁止区间段，MOSFET不动作，而在另一个区间段则解除此禁止信号， MOSFET可以传输功率。待机模式下，禁止段的时间远大于解除段的时间，因而待机功耗非常低。
?输出纹波和间歇频率
图2给出了间歇模式的基本原理。MOSFET在Ton期间处于工作状态，在Toff期间处于关断状态。Ton期间，传输到二次侧的功率是。整个周期的平均功率是，其中是间歇模式的占空比开通时间，，间歇频率是。

图6 无负载时间歇模式  240VAC   Channel 1：Vds，200V/div
Channel 3：VFB，2V/div；Channel 4：Vout，50mV/div；time：5ms/div

图7 240VAC下负载从满载下降到零负载时进入间歇模式
Channel 1：Vds，200V/div；Channel 2：Iout，1A/div
Channel3：VFB，2V/div；Channel 4：VFB，5V/div；time：5mV/div

图8 240VAC下从零负载到满载时离开间歇模式
Channel 1：Vds，200V/div；Channel 2：Iout。1A/div；
Channel3：VFB，2V/div；Channel 4：VFB，5V/div；time：0.2mV/div

Ton期间的输出电容电荷变化是：

其中IAV是从输出电容流出的输出电流平均值。
平均输出电压和输出电压纹波是：

可以看出，输出电压纹波与输出电容和间歇频率成反比。从成本角度讲，不宜使用大电容，因此常以增加间歇频率的做法来减小输出电压纹波到可以接受的程度，但这将增加待机功耗。所以必须在输出纹波电压和待机功耗之间进行折中。
?动态负载阶跃响应
大多数间歇模式的做法是在Toff期间关闭PWM控制器而进行的。Toff期间，对输出电压没有监测和调节，此时如果输出电流突然增加，那么PWM控制器不能够被立即唤醒，输出电压仅靠有限的输出电容上储存的电荷来维持。这将导致很大的电压降落甚至使输出电压为零。在下一个间歇周期，SMPS将重新启动。此问题如图3所示，对大多数电器来说这么大的输出压降是无法接受的。

采用间歇模式的新型PWM控制器ICE3DS01G
为了解决负载突变问题，PWM控制器在Toff期间不应关断。这意味着间歇模式必须由其它方式启动，解决方法之一是通过反馈电压来触发。
ICE3DS01G是一种电流模式的PWM控制器。反馈电压控制变压器的初级峰值电流，即输出功率：。在待机条件下，由于输出功率比较低，反馈电压也很低，可以设置阈值电压使得IC进入间歇模式。一旦反馈电压低于，MOSFET停止开关动作，没有能量传到二次侧。输出电压缓慢降低，反馈电压由于稳压调整电路的存在而升高。当反馈电压到达阈值时，MOSFET重新开启。假如存在大的负载突变，反馈电压将突然增加而大于，IC立即离开间歇模式。利用这种反馈控制技术，输出电压纹波可以控制在最小，在输出功率转换到正常模式时IC可以迅速反应。

实验测试
采用ICE3DS01G搭建一个原型评估电路，输出为14V/3.3A。无负载、240VAC输入电压下，输入功耗低于0.2W。满载工作时的测量结果如图4所示。
?轻负载间歇模式
当VFB下降到1.3V时，IC停止开关动作。同时，输出电压开始下降，VFB上升。当VFB达到4V，MOSFET开始动作。输出电压充电，由于负载小VFB又降低。从图5可以看出输出电压纹波小于100mV。
?无负载间歇模式
在无负载条件下，由于输出电容放电慢而上升较慢。间歇频率大约是50Hz，远低于上面的小负载情况，在240VAC输入电压下输入功率低于0.2W。如图6所示。
?从满负载到无负载的响应过程
假如负载突然从满负载降到零负载，经过2.5ms延时之后，IC进入间歇模式。延时时间可以通过外部电容调整，以避免由于大的负载变化而突然进入间歇模式。图7所示的输出电压过冲很小。
?从无负载到满负载响应过程
当负载突然从零负载到满负载时，VFB立刻上升。在VFB＝4V时，IC启动MOSFET开关动作，在VFB＝4.8V时离开间歇模式，输出电压降落小于0.3V。如图8所示。

结语
随着新型间歇模式待机控制方案的出现，输出电压纹波得到了很好的改善，间歇频率可调以适应输出功率。一旦发生负载变化，PWM IC可以立即进入或者离开间歇模式，输出电压过载或下降会减小到最低。