AC電源供電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師將面臨對(duì)電源效率的強(qiáng)制要求，這使得電源設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。當(dāng)然，人們也希望它能帶來經(jīng)濟(jì)上的好處。從某種意義上說，在用戶對(duì)耗能的特性習(xí)以為常且同時(shí)期望保持相同或更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間之際，便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)工程師面臨同樣的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在1990年代，環(huán)境保護(hù)署(EPA)啟動(dòng)稱為能源之星(Energy Star)的認(rèn)證項(xiàng)目，只涉及休眠模式。因?yàn)槟茉粗钦J(rèn)證是自愿的行為，且忽略工作功耗，所以對(duì)設(shè)計(jì)影響有限。

致力于個(gè)人計(jì)算機(jī)的工作能效的Ecos Consulting與幾個(gè)電子機(jī)構(gòu)結(jié)盟發(fā)起了稱為80 Plus的另一個(gè)自愿認(rèn)證項(xiàng)目。該項(xiàng)目的名稱表示，除在標(biāo)稱負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)要高于0.9外，在標(biāo)稱負(fù)載分別為 20%、50%和100%時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行能效要高于80%。

臺(tái)式計(jì)算機(jī)和各類臺(tái)式服務(wù)器制造商在參與能效項(xiàng)目的地區(qū)每賣出一臺(tái)經(jīng)過認(rèn)證的產(chǎn)品都將分別獲得5和10美元的退稅。另外，雖然 80Plus是自愿項(xiàng)目，但美國(guó)政府給符合80Plus標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)予以補(bǔ)貼。以前，能效曲線一般會(huì)給出一個(gè)對(duì)應(yīng)于略小于最大設(shè)計(jì)負(fù)載的標(biāo)稱峰值曲線，而在輕負(fù)載時(shí)，能效會(huì)顯著下降，有時(shí)甚至?xí)陆?0%或50%。而許多應(yīng)用通常會(huì)有好幾天就是處在“無(wú)所事事”的待機(jī)態(tài)，而需要峰值功率的時(shí)間也少得多。80Plus項(xiàng)目旨在降低整個(gè)無(wú)用功耗，而非僅優(yōu)化曲線某個(gè)點(diǎn)的能效。圖1顯示出可能取得的此類成就。

圖1：Analogic Tech公司的AAT1126 600mA降壓轉(zhuǎn)換器能在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。

去年7月，EPA把80 Plus整合進(jìn)修正版的能源星計(jì)算機(jī)規(guī)范。EPA還在針對(duì)筆記本計(jì)算機(jī)電源適配器、手機(jī)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼照相機(jī)和其它應(yīng)用修改了能源星規(guī)范。在日本、中國(guó)和歐盟成員國(guó)等國(guó)家，也有與能源星類似的項(xiàng)目。

盡管這些項(xiàng)目仍是自愿的，但美國(guó)和其它國(guó)家在考慮為電源能效實(shí)施強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。例如，《能源政策與儲(chǔ)備法》指令美國(guó)能源部在2008年8月8日前確定是否為電池充電器和外接電源制定電能轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。

期間，加州能源委員會(huì)頒布的要求強(qiáng)制執(zhí)行的《電器效率法規(guī)(CEC-400)》包括對(duì)外接電源的新的能源星要求。而這正是其效能所在。沒人會(huì)考慮再生產(chǎn)無(wú)法在加州銷售(甚至儲(chǔ)存)的新電子產(chǎn)品，的確，這正是CEC-400所要求的。

與對(duì)全球能效要求相伴而來的是對(duì)功率因數(shù)，即開關(guān)穩(wěn)壓器實(shí)際上疊加到電網(wǎng)上的諧波頻率的強(qiáng)制規(guī)定。“超過75 W輸入閥值會(huì)帶來顯著后果。實(shí)際上，75W是超出歐盟為減少施加在D類電器設(shè)備的諧波電流規(guī)范(IEC1000-3-2)的功率閥值，”安森美半導(dǎo)體(ONSemiconductor)在其幾年前發(fā)表的筆記本電腦 ac/dc轉(zhuǎn)換適配器的參考設(shè)計(jì)筆記中寫道。

該應(yīng)用筆記指出：“筆記本電腦用適配器被歸為D類。該法規(guī)規(guī)定了D類設(shè)備允許引入到主電網(wǎng)中的諧波電流的最高水平。在歐洲和日本，IEC1000-3-2目前被要求強(qiáng)制執(zhí)行。在某種意義上，筆記本電腦適配器的移動(dòng)/全球特性將使其成為首類滿足IEC1000-3-2要求的大眾市場(chǎng)電源。”

提高能效面臨的工程問題

現(xiàn)把話題從規(guī)范轉(zhuǎn)向滿足這些規(guī)范的設(shè)計(jì)方法。這里主要考慮基本的步降(降壓)穩(wěn)壓器在能效方面受到的制約。盡管電路會(huì)有差異，但所有的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涠加泄餐帯?/p>

在基本的非同步降壓穩(wěn)壓器電路中，低壓側(cè)整流二極管的正向壓降與輸出電壓串聯(lián)，所以其損耗嚴(yán)重影響能效(圖2)。美信集成半導(dǎo)體公司(Maxim)在其應(yīng)用筆記AN652中指出：“即使在3.3V，整流管的損耗也很明顯。對(duì)12V電池輸入/3.3V輸出的步降穩(wěn)壓器來說，除其它損耗途徑之外，僅肖特基二極管0.4V的正向壓降就將產(chǎn)生約12%的能效損耗，”隨著最新處理器和FPGA需要的工作電壓越來越低，穩(wěn)壓器輸出電壓也變得更低，這種情況將會(huì)更加嚴(yán)重。

圖2：基本的非同步降壓轉(zhuǎn)換器。

同步整流本質(zhì)上是用開關(guān)(通常是另一個(gè)MOSFET)取代二極管，從而提升電源轉(zhuǎn)換效率。AN652指出：“對(duì)7.2V輸入/3.3 V輸出來說，同步整流器能把肖特基二極管整流器的能效提升約4%。”

顯然，隨著輸出電壓的下降以匹配采用更精微工藝制造的IC的工作電壓要求，導(dǎo)通電阻RDS(ON)上的壓降對(duì)電路的影響變得越來越重要。此外，驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極所需的功耗抵消了更低正向壓降帶來的能效方面的好處。

限制能效的另一個(gè)因素是為防止“擊穿(也即高壓和低壓側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通)”而由同步控制器插入的死區(qū)延時(shí)。在該死區(qū)期間，低壓側(cè)MOSFET的寄生體二極管通常對(duì)負(fù)的電感電壓擺幅起著箝位作用。

但體二極管會(huì)帶來?yè)p耗且其截止速度慢，導(dǎo)致能效降低1～2%，因此在一些設(shè)計(jì)中，低壓側(cè)MOSFET并聯(lián)了一個(gè)比體二極管導(dǎo)通電壓低的肖特基二極管。

即使借助此類設(shè)計(jì)，在開關(guān)頻率高，特別是在輕負(fù)載條件下，死區(qū)的導(dǎo)通損耗仍是很嚴(yán)重。當(dāng)負(fù)載電流小時(shí)，開關(guān)電源變壓器內(nèi)的電流為零。在這種情況下，有幾種開關(guān)電源可供選用。

簡(jiǎn)單來說，用高壓側(cè)MOSFET柵極信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)低壓側(cè)MOSFET柵極的作法很有效。另一種方法是，在下一個(gè)周期開始前，開關(guān)控制器繼續(xù)使同步開關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)變壓器電流開始反向流動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓器的控制器能感應(yīng)每一周期內(nèi)變壓器電流的過零，然后或關(guān)閉同步整流器或簡(jiǎn)單地在輕載時(shí)使該同步整流器不工作。

在下一個(gè)周期到來前，使同步開關(guān)截止有許多好處。但對(duì)提高能效存在一個(gè)問題。當(dāng)變壓器電流反向時(shí)，同步整流器會(huì)從輸出吸取電流，把能量存儲(chǔ)在輸入旁路電容內(nèi)，并在下半個(gè)周期替換丟失的輸出能量。這將在整個(gè)電路的寄生阻抗以及無(wú)用的開關(guān)動(dòng)作上消耗能量。

一個(gè)解決方法是脈沖跳躍(pulse-skipping)。電源回復(fù)至非同步工作態(tài)，而肖特基二極管擔(dān)當(dāng)起該角色轉(zhuǎn)換的媒介。這再一次引入了二極管壓降從而對(duì)能效造成傷害。最高效、同時(shí)就設(shè)計(jì)來說也是最復(fù)雜的方法是——利用過零檢測(cè)，或稱為“谷底控制”。

上述都是老設(shè)計(jì)中的一些本質(zhì)缺陷，以及應(yīng)對(duì)這些問題的常用解決方法。下面將介紹可在整個(gè)負(fù)載條件下都獲得平坦能效曲線的最新電源技術(shù)。

新技術(shù)和解決方案

1.Power Integrations公司

Power Integrations(PI)是長(zhǎng)期以來致力于提升電源能效的歷史最悠久的公司之一，它在2002年推出了EcoSmart技術(shù)，該技術(shù)是用于便攜式設(shè)備的3W恒壓/恒流(CV/CC)AC/DC開關(guān)器(LinkSwitch LNK501)的一部分。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源把開關(guān)器件布置在變壓器低壓側(cè)，但LNK501把它放置在高壓側(cè)。IC以整流后的直流輸入為參考，可以使其能從初級(jí)側(cè)鉗位電路的近似恒壓和恒流工作狀態(tài)中，得到全部反饋信息。由于不需要傳感器電阻以及次級(jí)側(cè)的全部電流感應(yīng)電路，該器件可降低次級(jí)損耗并把能效提高約10%(應(yīng)用電路見圖3)。

圖3：能在很輕負(fù)載下提供高效率的LNK501的應(yīng)用電路圖。

在自舉啟動(dòng)后，初級(jí)側(cè)的漏感 (D5和C4)為L(zhǎng)NK501提供電源。這些箝位二極管還提供反饋信息，即C4上建立起來的電壓近似表述通過變壓器匝數(shù)比感應(yīng)過來的輸出電壓。電阻R1把此對(duì)應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換為電流并施加到IC的控制腳。

工作模式采用的是非連續(xù)反激，并對(duì)輸出特性的恒壓部分實(shí)施電壓模式控制，恒流部分實(shí)施限流控制。一旦輸出電壓接近擬定的穩(wěn)壓值，則將輸出的控制轉(zhuǎn)換為恒壓。若輸出負(fù)載增加至超出峰值功率點(diǎn)且輸出電壓下降，則減小的控制腳電流將降低內(nèi)部電流限制，從而提供一個(gè)接近恒流的輸出特性。

在正常負(fù)載條件下，當(dāng)控制電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，通過控制占空比從而提供一個(gè)近似的恒壓特性。在輕載/空載情況，當(dāng)占空比下降至低于3%時(shí)，則通過降低開關(guān)頻率以降低能耗。

借助CV/CC輸出特性，反激變壓器一直處在非連續(xù)電流模式(DCM)。DCM是表述該電流的另一種方法，且因此線圈內(nèi)的磁場(chǎng)可能接近或達(dá)到零。借助DCM，在每一開關(guān)周期，所有能量都在MOSFET截止期被輸送至負(fù)載。(在連續(xù)電流模式，電流和磁場(chǎng)從不為零。)

Power Integrations借助HX系列產(chǎn)品提升了大功率(48W無(wú)散熱器、150 W帶散熱器)TOPSwitch AC/DC產(chǎn)品線的性能。TOPSwitch HX芯片是整合了700V功率MOSFET、帶控制器和監(jiān)控功能的單片IC。

HX器件的無(wú)負(fù)載功耗小于200mW，并在重負(fù)載條件下通過多模控制機(jī)制獲得更高能效。在重負(fù)載條件下，HX芯片采用定頻脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)。隨著負(fù)載減小，控制器轉(zhuǎn)為變頻模式，然后變?yōu)轭l率更低的定頻PWM模式。當(dāng)負(fù)載非常小時(shí)，控制器轉(zhuǎn)為周期跳躍模式。它能在1W輸入下提供最大輸出功率，且待機(jī)功耗極低。

2.德州儀器(TI)

TI的開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品線范圍很寬難以盡述。諸如TPS51117等降壓轉(zhuǎn)換器通過改變開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)很高的輕載能效。TPS51117的數(shù)據(jù)手冊(cè)指出：“若選擇自動(dòng)跳躍模式，則在輕載條件下，TPS51117自動(dòng)降低開關(guān)頻率以獲取高效率。在重負(fù)載情況下，隨著輸出電流的減小，電感電流也隨之減小且其谷底將最終達(dá)到零電流，它是連續(xù)導(dǎo)通和非連續(xù)導(dǎo)通模式的邊界。當(dāng)檢測(cè)到零電感電流時(shí)，整流MOSFET被截止。”

“由于輸出電壓仍高于參考電壓，則高低兩端的MOSFET都被截止，并一直保持到下一個(gè)周期。隨著負(fù)載電流進(jìn)一步減小，轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式，需要更長(zhǎng)時(shí)間才能把輸出電容器上的電壓釋放到小于參考電壓。請(qǐng)注意，導(dǎo)通時(shí)間與重負(fù)載條件下是一樣的。

“相反，當(dāng)輸出電流隨著負(fù)載從輕變重而逐漸增加時(shí)，開關(guān)頻率隨著電感電流接近連續(xù)而增加到預(yù)設(shè)值。”手冊(cè)總結(jié)道。

TI的另一款準(zhǔn)諧振、反激綠色模式控制器芯片UCC28600集成了三種控制模式：準(zhǔn)諧振/DCM模式、頻率反激模式和“綠色模式”。在重負(fù)載下，它工作在準(zhǔn)諧振(QR)和DCM模式，這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)開關(guān)MOSFET的柵極信號(hào)上升沿永遠(yuǎn)發(fā)生在去磁化后的諧振環(huán)底部(諧振谷底開關(guān))。

諧振谷底開關(guān)也被施加于最大開關(guān)頻率。在頻率反激模式，壓控振蕩器被限制在40～130kHz。當(dāng)負(fù)載最輕時(shí)，綠色模式把振蕩器保持在40kHz，開關(guān)則進(jìn)入到滯后“突發(fā)”或“hiccup”狀態(tài)。

3.美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)的LM26480在一個(gè)多輸出控制器內(nèi)嵌入了同步開關(guān)頻率控制器。它包括兩個(gè)大電流、步降DC/DC轉(zhuǎn)換器和一對(duì)線性穩(wěn)壓器。該芯片是為以鋰離子電池為電源的便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。

其中一個(gè)降壓穩(wěn)壓器可提供0.8~2.0V范圍中的任何電壓，且電流達(dá)到1.5A。另一個(gè)降壓穩(wěn)壓器支持1.0～3.3V輸出，電流也可達(dá)到1.5A。低壓降穩(wěn)壓器(LDO)的輸出可被設(shè)定為1.0～3.5V，精度為±3%，電流可達(dá)300mA，(典型)壓降是25mV。

該開關(guān)穩(wěn)壓器在整個(gè)負(fù)載范圍的能效曲線非常平坦(圖4)。它有三種工作模式：PWM、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和關(guān)斷。PWM模式是為約70mA或更重負(fù)載工作條件而設(shè)計(jì)的。在輕負(fù)載下，器件自動(dòng)進(jìn)入PFM，靜態(tài)電流減小到約15uA。

圖4：美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM26480能在高負(fù)載的PWM模式和輕負(fù)載的脈沖頻率調(diào)制模式之間平滑過渡

每款降壓轉(zhuǎn)換器都有一個(gè)開關(guān)P溝道FET 和一個(gè)同步整流N溝道FET。在PWM工作期間，該轉(zhuǎn)換器的工作等同帶輸入電壓前饋的電壓模式控制器。

在負(fù)載極輕的場(chǎng)合，PFM模式意味著降低開關(guān)頻率和電源電流。該轉(zhuǎn)換發(fā)生在這兩種條件下：電感電流變得不再連續(xù)或峰值P溝道開關(guān)電流低于某一值(約為66mA + VIN/160Ω)。

在PFM工作期間，轉(zhuǎn)換器把輸出電壓調(diào)至略高于PWM模式時(shí)的輸出電壓。這樣，當(dāng)負(fù)載從輕變重時(shí)，會(huì)有更大的壓降裕量。

顯然，控制器監(jiān)控輸出電壓并控制輸出FET的開關(guān)，以便輸出電壓在標(biāo)稱PWM輸出電壓上的0.8% 和1.6%(典型)間擺動(dòng)。若輸出電壓低于“高”PFM比較器閥值，則P溝道MOS功率開關(guān)導(dǎo)通。

在輸出電壓超過“高”PFM閥值，或峰值電流超過另一個(gè)預(yù)設(shè)值(約為66mA+ VIN/80Ω)前，P溝道MOS功率開關(guān)一直導(dǎo)通。一旦P溝道MOS功率開關(guān)截止，N溝道MOS功率開關(guān)在電感電流降至零前一直導(dǎo)通。

一旦檢測(cè)到N溝道MOS零電流條件，則該開關(guān)截止。若輸出電壓降低至低于“高”PFM比較器閥值，P溝道MOS功率開關(guān)再次導(dǎo)通。這個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，直到輸出達(dá)到期望值。一旦輸出達(dá)到“高”PFM閥值，N溝道MOS開關(guān)則短暫導(dǎo)通以把電感電流釋放為零。此時(shí)，兩個(gè)輸出開關(guān)都截止，器件進(jìn)入一個(gè)功耗極低的模式。

該器件“休眠”模式下的靜態(tài)電源電流小于30uA。當(dāng)輸出掉至低于“低”PFM閥值時(shí)，該周期過程重復(fù)進(jìn)行以將輸出電壓恢復(fù)至約為標(biāo)稱PWM輸出電壓以上的1.6%。若負(fù)載電流在PFM模式時(shí)增加，使輸出電壓低于“l(fā)ow2”PFM閥值時(shí)，則該器件將轉(zhuǎn)換為定頻PWM模式。

4.Zilker Labs

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的能效最大化，ZilkerLabs的負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器ZL2004和ZL2006采用了多種電路技術(shù)。ZL2006集成了3AMOSFET驅(qū)動(dòng)器，可為負(fù)載提供大于40A的電流，且不需外接驅(qū)動(dòng)器。ZL2004則需要外部驅(qū)動(dòng)器/MOSFET IC和功率通道模塊。

ZL2006和ZL2004采用自適應(yīng)死區(qū)控制，并采用獨(dú)有技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)相對(duì)于開啟和截止同步MOSFET的過渡時(shí)間。

還有被稱為“自適應(yīng)二極管仿真”的新技術(shù)。隨著負(fù)載電流下降，典型的同步步降轉(zhuǎn)換器將開始吸收電流來維持穩(wěn)壓，但這種方法將能量從輸出電容器上轉(zhuǎn)移，從而降低了能效。Zilker Labs的芯片可以檢測(cè)到該暫態(tài)點(diǎn)，并阻止低壓側(cè)MOSFET導(dǎo)通。

所有Zilker Labs的芯片都帶專有總線，允許多個(gè)芯片并聯(lián)連接/同步工作(圖5)。同步工作有助于優(yōu)化重負(fù)載條件下的能效。但當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，更多器件的開/關(guān)動(dòng)作帶來的高損耗將降低能效。

圖5：Zilker Labs的單線數(shù)字DC總線能減少并聯(lián)的多個(gè)器件的輕負(fù)載損耗。

ZL2006和ZL2004增加了自動(dòng)棄相功能以應(yīng)對(duì)負(fù)載電流下降。當(dāng)負(fù)載電流再增加時(shí)，丟棄的相還可再被使能。與其它芯片一樣，ZL2006和ZL2004可根據(jù)負(fù)載電流變化在一個(gè)預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)降低工作頻率。

特別是，Zilker Labs的PoL器件集成了自適應(yīng)補(bǔ)償功能。為在快速的瞬變響應(yīng)和整個(gè)工作范圍內(nèi)的保持穩(wěn)定之間取得最佳平衡，需對(duì)穩(wěn)壓器的控制環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。這些芯片在無(wú)需外接器件對(duì)環(huán)路補(bǔ)償進(jìn)行設(shè)置或改動(dòng)的條件下，便能動(dòng)態(tài)修正環(huán)補(bǔ)償系數(shù)，以應(yīng)對(duì)變化的負(fù)載條件。

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