低電壓大電流的線(xiàn)性解決方案分析

目前發(fā)達國家對電器產(chǎn)品功耗方面的要求日益嚴格，并針對待機功耗制定了很多標準規范。為了符合這些規范，很多新技術(shù)應運而生，主要思想是讓開(kāi)關(guān)電源在負載很小或空載處于待機狀態(tài)時(shí)能夠以較低開(kāi)關(guān)頻率操作。本文探討脈沖跳躍模式(pulse skipping)、突變模式(burst mode)及非導通時(shí)間調變(off time modulation)等三種較常用降頻技術(shù)，介紹如何降低開(kāi)關(guān)頻率以達到減少待機功耗的目的。

在環(huán)保意識日益受到重視的綠色時(shí)代，有效利用有限的能源已經(jīng)成為人們的共識。歐美國家對于電器產(chǎn)品在空載待機時(shí)的功耗定義了明確的規范，歐盟(EEC)公布的具體規定如表1所示，而在美國方面，從2001年7月起該國就規定政府機構不得購買(mǎi)待機功耗超過(guò)1W的電器產(chǎn)品。 由此可見(jiàn)，在不久的未來(lái)，電源轉換器低待機功耗將成為基本要求，這也是電源設計工程師必須面臨的挑戰。

開(kāi)關(guān)電源損耗分析

開(kāi)關(guān)電源的損耗包含導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗以及外圍控制電路損耗，電路不同部分的損耗成因各不相同，因此抑制損耗的方法也有不同。需要用數學(xué)方程式量化這些損耗，進(jìn)而整理出降低各部分損耗的方法，才能得出具體有效降低整體損耗的方案。 為了討論方便，本文以常用的回掃轉換器為例，將各部分損耗以數學(xué)方程式表示，并列出解決方法。表2、表3及表4分別為導通損耗、切換損耗以及外圍控制電路損耗的原因分析與解決對策。

由這幾張表分析結果可以很明顯看出，導通損耗和切換損耗與轉換器開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系非常密切，而較高的頻率可以降低轉換器對儲能元件(電感與電容)大小的要求。為了降低轉換器待機時(shí)的損耗而讓轉換器在低負載或空載時(shí)將開(kāi)關(guān)頻率降低，可以兼顧到元件體積與能量損耗。目前已有多種技術(shù)基于這種概念應用到實(shí)際電源管理IC上，以下我們將就其中三種應用較為廣泛的技術(shù)分別介紹其設計概念與特性。

脈沖跳躍技術(shù)

圖1為脈沖跳躍技術(shù)示意圖。當負載降低時(shí)，驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)脈沖將被遮蔽(即跳過(guò))，部分脈沖被省略也即等效于降低了開(kāi)關(guān)頻率，可降低高頻開(kāi)關(guān)帶來(lái)的損耗，然而這種降頻方式會(huì )造成輸出電壓突降或突升(圖2)。

在回掃轉換器里，初級開(kāi)關(guān)導通時(shí)能量?jì)Υ嬖谧儔浩骷ご烹姼兄?，開(kāi)關(guān)截止后，原先儲存的能量被釋放到負載一側。儲存在激磁電感中的功率可以表示為

(f_S×V_in²×T_ON²)/(2×L_P)。 當負載降低到一定程度時(shí)，脈沖跳躍機制將使有效開(kāi)關(guān)頻率減半，這意味著(zhù)轉換器供應負載的功率減半，因此回掃電路將增加脈沖寬度以補足輸出負載所需要的功率，而在脈沖寬度增加到負載所需功率之前，輸出電壓將產(chǎn)生突降。相反的情形發(fā)生在等效開(kāi)關(guān)頻率增加時(shí)，輸出電壓將發(fā)生突升。這種負載變動(dòng)時(shí)輸出電壓突升與突降是開(kāi)關(guān)頻率非連續變動(dòng)(以整數倍增加或降低)的必然結果。

突變模式

突變模式技術(shù)又稱(chēng)打嗝模式(hiccup mode)或周期省略模式(圖3)。在負載很大情況下，回掃電路根據輸出電壓變化來(lái)調制脈沖寬度。 當負載降低到一定程度時(shí)，控制電路將維持原有脈沖寬度，轉而周期性跳過(guò)部分脈沖，控制電路通過(guò)降低總脈沖寬度或增加遮蔽周期長(cháng)度達到降低損耗的目的。該技術(shù)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即低頻干擾會(huì )和遮蔽周期一起出現，而且負載突然改變也會(huì )造成輸出電壓突降。

非導通時(shí)間調制技術(shù)

圖4顯示了非導通時(shí)間調制的基本原理。當負載改變時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率將連續降低或增加，開(kāi)關(guān)頻率與輸出功率的關(guān)系如圖5所示。低負載或空載時(shí)這種連續調變降低開(kāi)關(guān)頻率的方式除了可以有效降低能量損失外，還可以避免前兩種方法中輸出電壓突升或突降的問(wèn)題。