低电压大电流的线性解决方案分析

目前发达国家对电器产品功耗方面的要求日益严格，并针对待机功耗制定了很多标准规范。为了符合这些规范，很多新技术应运而生，主要思想是让开关电源在负载很小或空载处于待机状态时能够以较低开关频率操作。本文探讨脉冲跳跃模式(pulse skipping)、突变模式(burst mode)及非导通时间调变(off time modulation)等三种较常用降频技术，介绍如何降低开关频率以达到减少待机功耗的目的。 在环保意识日益受到重视的绿色时代，有效利用有限的能源已经成为人们的共识。欧美国家对于电器产品在空载待机时的功耗定义了明确的规范，欧盟(EEC)公布的具体规定如表1所示，而在美国方面，从2001年7月起该国就规定政府机构不得购买待机功耗超过1W的电器产品。 由此可见，在不久的未来，电源转换器低待机功耗将成为基本要求，这也是电源设计工程师必须面临的挑战。 开关电源损耗分析 开关电源的损耗包含导通损耗、开关损耗以及外围控制电路损耗，电路不同部分的损耗成因各不相同，因此抑制损耗的方法也有不同。需要用数学方程式量化这些损耗，进而整理出降低各部分损耗的方法，才能得出具体有效降低整体损耗的方案。 为了讨论方便，本文以常用的回扫转换器为例，将各部分损耗以数学方程式表示，并列出解决方法。表2、表3及表4分别为导通损耗、切换损耗以及外围控制电路损耗的原因分析与解决对策。 由这几张表分析结果可以很明显看出，导通损耗和切换损耗与转换器开关频率的关系非常密切，而较高的频率可以降低转换器对储能元件(电感与电容)大小的要求。为了降低转换器待机时的损耗而让转换器在低负载或空载时将开关频率降低，可以兼顾到元件体积与能量损耗。目前已有多种技术基于这种概念应用到实际电源管理IC上，以下我们将就其中三种应用较为广泛的技术分别介绍其设计概念与特性。 脉冲跳跃技术 图1为脉冲跳跃技术示意图。当负载降低时，驱动功率开关的开关脉冲将被遮蔽(即跳过)，部分脉冲被省略也即等效于降低了开关频率，可降低高频开关带来的损耗，然而这种降频方式会造成输出电压突降或突升(图2)。 在回扫转换器里，初级开关导通时能量储存在变压器激磁电感中，开关截止后，原先储存的能量被释放到负载一侧。储存在激磁电感中的功率可以表示为 (fS×Vin2×TON2)/(2×LP)。 当负载降低到一定程度时，脉冲跳跃机制将使有效开关频率减半，这意味着转换器供应负载的功率减半，因此回扫电路将增加脉冲宽度以补足输出负载所需要的功率，而在脉冲宽度增加到负载所需功率之前，输出电压将产生突降。相反的情形发生在等效开关频率增加时，输出电压将发生突升。这种负载变动时输出电压突升与突降是开关频率非连续变动(以整数倍增加或降低)的必然结果。 突变模式 突变模式技术又称打嗝模式(hiccup mode)或周期省略模式(图3)。在负载很大情况下，回扫电路根据输出电压变化来调制脉冲宽度。 当负载降低到一定程度时，控制电路将维持原有脉冲宽度，转而周期性跳过部分脉冲，控制电路通过降低总脉冲宽度或增加遮蔽周期长度达到降低损耗的目的。该技术有两个明显的缺点，即低频干扰会和遮蔽周期一起出现，而且负载突然改变也会造成输出电压突降。   非导通时间调制技术 图4显示了非导通时间调制的基本原理。当负载改变时，开关频率将连续降低或增加，开关频率与输出功率的关系如图5所示。低负载或空载时这种连续调变降低开关频率的方式除了可以有效降低能量损失外，还可以避免前两种方法中输出电压突升或突降的问题。 起动电路损耗   起动电路损耗在电源转换器空载待机损耗中占很高的比例，此处我们介绍一种起动速度快且损耗低的起动电路。图6(a)为传统起动电路，其中VSTA是脉宽调制控制器起始临界电压，TD_ON是启动延迟时间，TD_ON=(C1×VSTA)/IC1。使用较大输入电阻(Rin)可以有效降低电阻损耗，但启动延迟时间会延长。因此建议采用图6(b)电路，其中C1电容较小，这样在用大输入电阻时能够降低起动电路的损耗，同时仍然拥有较快起动速度。较大的C2电容可提供稳定的电压给控制器使用，不会增加起动延迟时间。 图7是一个输入电压90～264Vrms、输出为12V/5A的交流-直流转换器，使用的控制芯片为SG6841，采用BiCMOS工艺，其非导通时间调变在负载降到20%时开始起作用，输入电阻为3MΩ。表5列出了主要的量测结果，在空载情况下，开关频率设计在2到8KHz之间，可以降低音频干扰。 相关链接 下一代手机电源管理面临的挑战与设计趋势 http://www.eetchina.com/ART_8800319906.HTM 如何测试电源供应器的电源纹波和输出噪声 http://www.eetchina.com/ART_8800314288.HTM 用硬件和固件降低电池供电产品的功耗 http://www.eetchina.com/ART_8800311350.HTM 参考文献 [1]. R. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, 2nd ed., 2001 Kluwer Academic publishers. [2]. Sandri, et al., "DC-to-DC converter functioning in a pulse slipping mode with low power consumption and PWM inhibit," US patent 5,745,352, Api. 1998, SGS-Thompson. [3]. Culpepper, et al., "Switching DC-to-DC converter with discontinuous pulse skipping and continuous operating mode without external sense resistor," US patent 6,396,252, May 2002, National Semiconductor. [4]. Majid et al., "Low power stand-by for switched-mode power supply circuit with burst mode operation," US patent 5,812,383, Sep. 1998, Philips Electronics. [5]. T. Yang, "Pulse width modulation controller having frequency modulation for power converter," US patent 09/931,641, System General Inc. [6]. T. Yang, "PWM controller having off-time modulation for power converter," US patent 6,545,882, Aug 2001, System General Inc [7]. T. Yang, et al., "PWM controller having adaptive off-time modulation for power saving," US patent pending 10/065,531, System General Inc. 作者：陈佐民博士 高级工程师 崇贸科技公司