數字電源技術(shù)助力實(shí)現高效率電源

引言

為推廣高效率節能產(chǎn)品，越來(lái)越多的國家和地區紛紛發(fā)布了各種節能規范和標準。例如，國際能源署(IEA)所倡導“1W計劃”，美國環(huán)保署(EPA)的“能源之星”計劃，以及中國節能產(chǎn)品認證中心(CECP)所制定的規章等都把節能環(huán)保放在重要位置。如何提高電源的效率，是目前電源設計中面臨的重要課題。數字電源技術(shù)的出現為提高電源的效率提供了新的方法。 ADP1043是ADI公司推出的一款針對高端服務(wù)器、存儲器以及通信設備等電源所設計的數字電源控制器，可支持多種拓撲結構，并利用直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面(GUI)無(wú)需用語(yǔ)言進(jìn)行編程，便可在幾分鐘之內配置包括頻率、時(shí)序、電壓設置與保護限制等系統電源參數。圖1所示為ADP1043的典型應用電路。其所采用的數字電源技術(shù)可幫助實(shí)現高效率電源。

圖1 ADP1043典型應用電路

同步整流技術(shù)

同步整流技術(shù)是指用導通電阻較低的MOSFET來(lái)替代整流二極管，從而達到降低整流損耗、提高效率的目的。在同步整流技術(shù)中，為避免交叉導通的危險，在主開(kāi)關(guān)與同步整流開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號之間必須設定一定的死區時(shí)間。在死區時(shí)間內，電感電流流過(guò)同步整流MOSFET的體二極管。而這個(gè)體二極管一般會(huì )具有較高的前向導通電壓VF，在死區時(shí)間較大時(shí)，會(huì )造成較大的損耗。因此，為最大限度地提高效率，要求死區時(shí)間盡可能小。但是在傳統的模擬方案中，自驅動(dòng)型除了應用的限制外，還很難提供精確的控制時(shí)序;對于外驅動(dòng)型，由于其參數是由電阻、電容等無(wú)源器件進(jìn)行設定，存在誤差、老化、溫漂等問(wèn)題，為保證有足夠的余量，死區時(shí)間也不可能設置得很小。因此，ADP1043的數字方案是很好的選擇。

圖2所示為ADP1043在全橋拓撲電路下的PWM和SR的GUI設置界面。通過(guò)設置T9、T10、T11和T125便可精確獲得同步整流MOSFET所需的死區時(shí)間，其中每次調整的最小時(shí)間為5ns。

圖2 PWM和SR的GUI設置界面

伏秒平衡控制技術(shù)

在傳統的橋式拓撲電路中，一般為防止變壓器的偏磁，會(huì )在變壓器的原邊回路中串入一個(gè)隔直電容器。這樣做存在缺點(diǎn)，一方面是增加了電源的成本和體積，另一方面又增加了損耗，降低了效率。ADP1043采用伏秒平衡控制的數字技術(shù)解決了該問(wèn)題。

如圖3所示，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，ADP1043通過(guò)CS1分別測量流過(guò)開(kāi)關(guān)管A、D和開(kāi)關(guān)管B、C的電流并計算其差值，通過(guò)差值信號調節驅動(dòng)信號OUTB和OUTD的脈寬，對失衡進(jìn)行補償。例如，如圖4所示，當CS1測量到流過(guò)開(kāi)關(guān)管B、 C的電流大于開(kāi)關(guān)管A、D時(shí)，便會(huì )減小OUTB的脈寬，增大OUTD的脈寬，這樣流過(guò)開(kāi)關(guān)管B、C的電流會(huì )減小，而流過(guò)開(kāi)關(guān)管A、D的電流會(huì )增大，經(jīng)過(guò)若干周期后，電流自動(dòng)實(shí)現了平衡。采用該技術(shù)后，可有效防止偏磁，并且省去隔直電容器，提高效率和可靠性。

圖3 伏秒平衡控制技術(shù)

圖4 伏秒平衡控制波形

動(dòng)態(tài)死區控制技術(shù)

在傳統模擬方案中，一般設定一個(gè)足夠長(cháng)的固定的死區時(shí)間可確保電源工作在所有條件下。但是對于一個(gè)典型的應用環(huán)境，這個(gè)死區時(shí)間往往比所需的時(shí)間長(cháng)，由于在死區時(shí)間，是MOSFET的體二極管在導通電流，所以較長(cháng)的死區時(shí)間會(huì )增加損耗，降低電源的效率。ADP1043可根據負載的情況，動(dòng)態(tài)調節死區的大小，從而使電源在輕載和滿(mǎn)載時(shí)的效率得以?xún)?yōu)化。

改善輕載效率

除了提高電源在重載下的效率，改善電源輕載時(shí)的效率也同樣至關(guān)重要。這是因為在電源壽命的絕大部分時(shí)間內，工作負荷一般低于60%，電源很少在滿(mǎn)負荷下(100%)長(cháng)時(shí)間工作，在滿(mǎn)載時(shí)能高效工作的系統并不能保證在輕載時(shí)也同樣保持最佳狀態(tài)。傳統的模擬方案為改善輕載效率，往往需要大規模改變或增加控制電路，增加了控制的復雜性，降低了電源的可靠性。而ADP1043所提供的數字控制技術(shù)，無(wú)需增加新的控制電路就能輕易的切換控制策略，這對于模擬電路來(lái)說(shuō)幾乎是不可能的。