基于数字电源技术的高效率电源设计实现

　　引言

　　为推广高效率节能产品，越来越多的国家和地区纷纷发布了各种节能规范和标准。例如，国际能源署(IEA)所倡导“1W计划”，美国环保署(EPA)的“能源之星”计划，以及中国节能产品认证中心(CECP)所制定的规章等都把节能环保放在重要位置。如何提高电源的效率，是目前电源设计中面临的重要课题。数字电源技术的出现为提高电源的效率提供了新的方法。 ADP1043是ADI公司推出的一款针对高端服务器、存储器以及通信设备等电源所设计的数字电源控制器，可支持多种拓扑结构，并利用直观的图形用户界面(GUI)无需用语言进行编程，便可在几分钟之内配置包括频率、时序、电压设置与保护限制等系统电源参数。图1所示为ADP1043的典型应用电路。其所采用的数字电源技术可帮助实现高效率电源。

　　图1 ADP1043典型应用电路

　　同步整流技术

　　同步整流技术是指用导通电阻较低的MOSFET来替代整流二极管，从而达到降低整流损耗、提高效率的目的。在同步整流技术中，为避免交叉导通的危险，在主开关与同步整流开关的驱动信号之间必须设定一定的死区时间。在死区时间内，电感电流流过同步整流MOSFET的体二极管。而这个体二极管一般会具有较高的前向导通电压VF，在死区时间较大时，会造成较大的损耗。因此，为最大限度地提高效率，要求死区时间尽可能小。但是在传统的模拟方案中，自驱动型除了应用的限制外，还很难提供精确的控制时序;对于外驱动型，由于其参数是由电阻、电容等无源器件进行设定，存在误差、老化、温漂等问题，为保证有足够的余量，死区时间也不可能设置得很小。因此，ADP1043的数字方案是很好的选择。

　　图2所示为ADP1043在全桥拓扑电路下的PWM和SR的GUI设置界面。通过设置T9、T10、T11和T125便可精确获得同步整流MOSFET所需的死区时间，其中每次调整的最小时间为5ns。

　　图2 PWM和SR的GUI设置界面

　　伏秒平衡控制技术

　　在传统的桥式拓扑电路中，一般为防止变压器的偏磁，会在变压器的原边回路中串入一个隔直电容器。这样做存在缺点，一方面是增加了电源的成本和体积，另一方面又增加了损耗，降低了效率。ADP1043采用伏秒平衡控制的数字技术解决了该问题。

　　如图3所示，在每个开关周期中，ADP1043通过CS1分别测量流过开关管A、D和开关管B、C的电流并计算其差值，通过差值信号调节驱动信号OUTB和OUTD的脉宽，对失衡进行补偿。例如，如图4所示，当CS1测量到流过开关管B、 C的电流大于开关管A、D时，便会减小OUTB的脉宽，增大OUTD的脉宽，这样流过开关管B、C的电流会减小，而流过开关管A、D的电流会增大，经过若干周期后，电流自动实现了平衡。采用该技术后，可有效防止偏磁，并且省去隔直电容器，提高效率和可靠性。

　　动态死区控制技术

　　在传统模拟方案中，一般设定一个足够长的固定的死区时间可确保电源工作在所有条件下。但是对于一个典型的应用环境，这个死区时间往往比所需的时间长，由于在死区时间，是MOSFET的体二极管在导通电流，所以较长的死区时间会增加损耗，降低电源的效率。ADP1043可根据负载的情况，动态调节死区的大小，从而使电源在轻载和满载时的效率得以优化。

　　改善轻载效率

　　除了提高电源在重载下的效率，改善电源轻载时的效率也同样至关重要。这是因为在电源寿命的绝大部分时间内，工作负荷一般低于60%，电源很少在满负荷下(100%)长时间工作，在满载时能高效工作的系统并不能保证在轻载时也同样保持最佳状态。传统的模拟方案为改善轻载效率，往往需要大规模改变或增加控制电路，增加了控制的复杂性，降低了电源的可靠性。而ADP1043所提供的数字控制技术，无需增加新的控制电路就能轻易的切换控制策略，这对于模拟电路来说几乎是不可能的。

　　跳周期控制技术

　　一般来说，开关电源在重载时，其损耗主要是功率开关管的导通损耗。而在轻载时，开关管的开关损耗和磁损占主导地位。因此，降低开关管在轻载时的开关频率就能明显降低损耗，提高电源轻载时的效率。跳周期控制技术就是一种有效的方法。

　　通常当电源从满载一直减小时，其工作模式会从连续电流模式(CCM)进入到非连续电流模式(DCM)，这时为了维持输出电压的调节，开关管的导通时间将会减小。如果一直继续减小负载，开关管的导通时间就会到达最小导通时间。在达到最小导通时间后，如果仍继续减小负载，调节器必须屏蔽掉一些开关脉冲，以维持输出电压的调节。这时一个脉冲将对输出电容充电维持足够的输出能量，而在接下来的几个脉冲被调节器屏蔽，不驱动开关管，当输出电压降到调节器的阈值电压以下时，一个新的脉冲开始。这样，在维持输出稳定的前提下减少了开关次数，降低了开关损耗，从而极大的提高轻载的效率。

　　通过ADP1043的GUI可以设置开关管的最大和最小的导通时间和是否启用跳周期控制技术，如图5所示。当所需的导通时间小于设置的最小导通时间，并且启用了跳周期控制技术时，电源进入跳周期的工作模式。

　　图5 跳周期控制GUI设置界面

　　关闭同步整流

　　当电源采用同步整流时，由于MOSFET的双向导通的特性，使得此时的电感电流能够反向，产生环流。环流的大小和输出滤波电感有关，输出滤波电感越小，环流就会越大，相应的损耗也会越大。由于同步整流管不能从连续电流模式(CCM)自动切换到非连续电流模式(DCM)，因此要在电感电流反向前关闭同步整流，使电源进入非连续电流模式(DCM)，避免环流的产生，大大提高电源轻载时的效率。

　　通过ADP1043的GUI可以设置关闭同步整流时的电流阈值。当输出电流值低于该阈值时，关闭同步整流。如图6所示为采用ADP1043设计的全桥拓扑的模块电源在不关闭和关闭同步整流在轻载条件下的损耗的情况。可以看到，当关闭同步整流后，大大减少了电源的轻载损耗。

　　图6 两种模式下的轻载损耗比较

　　切相技术

　　随着对功率要求越来越大，以及对负载瞬态响应的要求越来越严格，用两个或更多个功率单元进行交错处理的多相技术越来越普遍。多相电路相对于单相电路具备明显的优势。这些优势包括输入纹波电流很低，输入电容数量较少;由于输出纹波频率的等效倍增，使输出纹波电压也降低了;而且由于损耗分布在更多元件中，消除了热点，降低了元件的温度;在重载时，开关管的导通损耗占主导，通过多相并联可以很好的降低导通损耗，提高电源在重载时的效率。但是，随着负载的减少，电路进入轻载状态，开关管的开关损耗逐渐占主导，此时，输出由一相供电就已经足够，多相的并联反而使开关损耗成倍增加。因而，在轻载时，仅留一相工作，关闭多相模式，可以明显改善电路在轻载时的效率。

　　如图7所示，为采用ADP1043所设计的交错式双管正激电路。当输出电流值低于通过GUI所设置的阈值时，ADP1043便会关闭QA2、QB2的驱动信号，以减少损耗。图8所示为采用切相技术的电源的效率曲线，可以发现当输出电流低于10A时，电源工作在单相模式下，效率有了明显的提高。

　　图7 交错式双管正激电路

　　图8 采用切相技术的效率曲线

　　结语

　　ADP1043所提供的数字电源技术可以有效提高电源无论是在重载还是在轻载时的效率，实现了高效率电源。