AC/DC電源的性能和國際能效標準

國際電源能效標準

美國能源部(DoE)于2007年頒布的外部電源能效標準對空載功耗以及負載為額定負載電流25%至100%時(shí)的平均能效提出了一整套嚴格的要求。歐盟和全球其它國家也頒布了類(lèi)似的標準，但DoE的標準是最嚴格的強制性標準。2014年2月，DoE更新了外部電源標準后，進(jìn)一步嚴格規范了離線(xiàn)電源的能效和空載功耗。通過(guò)限制電源的最大空載功耗，該標準迫使電源制造商降低電源空載時(shí)來(lái)自市電的輸入電流。雖然在待機時(shí)限制控制電路的電流能夠節省電能，但它也影響了電源從空載迅速過(guò)渡到滿(mǎn)載的能力，而在這個(gè)永遠在線(xiàn)的消費電子世界中，這個(gè)特性一直被我們視為是理所當然的。

負載瞬態(tài)響應時(shí)間 – 大信號響應時(shí)間和工作電流

負載瞬態(tài)響應時(shí)間直接影響輸出電壓的質(zhì)量;較快的響應速度有助于減少輸出電壓偏差，而且不必使用多余的輸出電容器;較慢的響應速度則反之。使用低功耗控制器時(shí)，響應速度通常較慢，從而迫使電源不得不依賴(lài)外部組件來(lái)響應輸出電流的變化。負載瞬態(tài)響應時(shí)間實(shí)際上是控制環(huán)路的大信號響應時(shí)間，整合了小信號穩定性和一些大信號因素，例如，控制電路能夠迅速轉換放大器和驅動(dòng)器的輸出。如果器件的轉換速率較低，而且小信號帶寬也較窄，輸出響應負載變化的速度也較慢。

電子器件中的一些基本關(guān)系是通用的，雖然這不一定是絕對的。例如，工作電流很小的運算放大器或對比器轉換輸出的速度與工作電流較大的器件一樣快。隨著(zhù)電流的下降，傳播時(shí)延也會(huì )增加，因為用于降低電流的各個(gè)級聯(lián)輸入級將增加信號穿過(guò)電路的時(shí)間。對于A(yíng)C/DC轉換器，輸出變壓器的反射阻抗所產(chǎn)生的復雜性以及寄生電感的特性增加了分析大信號響應時(shí)間的復雜性。通過(guò)關(guān)注控制器自身能夠做什么，而不去考慮主動(dòng)無(wú)源組件的改變，我們就能有最大程度的電源性能提升，并降低工作電流。

負載瞬態(tài)響應時(shí)間分析

當任何電源的輸出電流發(fā)生變化時(shí)，多個(gè)因素將影響電源輸出響應負載變化的速度和精度。通過(guò)將電源視作一個(gè)黑盒子-非理想電源，我們可以分析出是哪些因素決定了響應時(shí)間。

圖1顯示了一個(gè)常見(jiàn)的負載變化以及其輸出如何響應這個(gè)變化。假設這個(gè)模型為一黑盒子，其輸出電路是一個(gè)黑盒子電源，配有一個(gè)使用等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)和額定容量建模的輸出電容器。根據輸出電流的轉換速率以及輸出電容的ESR和ESL，由于電流的瞬時(shí)增加導致輸出電壓迅速下降。電壓瞬時(shí)下降的原因是輸出電容的ESR，而這個(gè)初始尖峰的恢復特性則取決于ESL。

合理選擇ESR和ESL較低的旁路電容能夠將這個(gè)初始尖峰趨近于零。一旦輸出電容開(kāi)始向輸出端提供電流，電壓將根據輸出電流和輸出總電容下降(dV = (I/C)*dt)。輸出電壓的下降幅度完全取決于電源響應變化并開(kāi)始向輸出電容器和負載提供電流的時(shí)間(dt)。一旦開(kāi)始向輸出端提供電流，輸出電容將充至標稱(chēng)輸出電壓，并提供一個(gè)較小的輸出偏移量。這個(gè)輸出偏移量通常被稱(chēng)為負載調整率，而且通常取決于控制環(huán)路的增益特性。系統中的增益越大，對負載的電壓輸出精度就越高。

反激式轉換器中所使用的控制器可以是模擬或數字控制器。這兩種技術(shù)均用于完成相同的功能，但所采用的方法截然不同。模擬控制器使用模擬放大器監測來(lái)自輸出端的反饋，以便生成一個(gè)誤差信號，然后將其與一個(gè)參考信號進(jìn)行對比，并對輸出級進(jìn)行調制，以使輸出電壓返回到調節狀態(tài)。數字電路將模擬反饋信號轉換為數字形式，然后將該字與一個(gè)已設定的對比點(diǎn)進(jìn)行對比，再使用比例-積分-微分(PID)過(guò)濾器對輸出進(jìn)行調制，以調節輸出電壓。從黑盒子的角度而言，它們完成了相同的功能，但黑盒子內部卻是兩個(gè)截然不同的世界。

模擬控制器

采用模擬技術(shù)的電源控制器已問(wèn)世數十年。作為一種廣為熟悉的技術(shù)，模擬控制器的優(yōu)缺點(diǎn)已經(jīng)被探討了很長(cháng)一段時(shí)間。作為任何模擬控制器的核心(圖2)，傳統的誤差放大器的性能取決于偏置電流。雖然的確存在能夠以很小的偏置電流實(shí)現較高性能的技術(shù)，但卻要犧牲硅片空間，而這是一個(gè)昂貴的代價(jià)。但是，一旦你為了遵從嚴格的最新能效標準而限制了這些模擬控制器的電流，它們的響應時(shí)間將會(huì )大幅延長(cháng)?；仡櫳鲜龅妮敵鲐撦d瞬態(tài)響應時(shí)間分析以及控制環(huán)路的響應時(shí)間對輸出電壓質(zhì)量的影響，我們可以清楚地看到，環(huán)路越快，輸出電壓的完整性就越高。

數字控制器

數字控制器的功能與模擬控制器相同，但黑盒子里面的某些內容卻完全不同。一個(gè)典型的數字電源控制器由一個(gè)PID過(guò)濾器、數字參考、數字脈沖寬度調制(PWM)生成器和輸出驅動(dòng)器構成(圖3)。它將反饋信號轉換為一數字列，然后將該字列與數字參考點(diǎn)進(jìn)行對比，再使用PID過(guò)濾器決定數字化的PWM電路將向主電源設備輸出。一個(gè)標準的基于PID的數字控制器對復雜變化響應較慢，除非它使用速度極高的ADC和時(shí)鐘頻率極高的數字內核。在負載總是較大的大電流應用中，這種方法是可行的，可以實(shí)現很快的響應速度，但在輕載情況下，與模擬控制器類(lèi)似，簡(jiǎn)單的數字控制器也會(huì )無(wú)法滿(mǎn)足較高性能。

一個(gè)標準的模擬控制器相較于數字控制器，這兩個(gè)端點(diǎn)電路之間沒(méi)有理由存在重大的性能差距。但是，數字設計已經(jīng)發(fā)展到這樣的程度：可以為控制器設計增添一些模擬控制器難以實(shí)現的自由度。與數字PID主控模塊并聯(lián)的額外的模擬或數字電路更可大幅提升電路的性能。單純的模擬控制器很難實(shí)現這一點(diǎn)，因為額外的控制電路會(huì )嚴重破壞頻率補償。在模擬控制器中，一個(gè)控制環(huán)路本本已很難穩定，多個(gè)并聯(lián)運行的環(huán)路需要極為復雜的補償機制，而為了實(shí)現穩定，這通常又會(huì )導致不可接受的權衡。不論在DC/DC控制器或AC/DC控制器中，都存在相同的問(wèn)題。快速動(dòng)態(tài)負載響應所產(chǎn)生的影響

具備快速動(dòng)態(tài)負載響應功能的電源不僅在維持最終應用所需的電壓穩定性、規格和性能方面擁有明顯優(yōu)勢，而且還能減少維持輸出電壓所需的大容量電容，從而縮減電路的規模和成本。在要求高性能和低成本、同時(shí)要求遵從國際能效標準的典型應用就是用于為智能手機充電的USB兼容輸出、並通用于離線(xiàn)輸入電壓適配器。針對使用USB連接器的電池充電器的USB BC1.2規范定義了一個(gè)恒定的DC輸出電壓在通用AC輸入電壓范圍下運作，以確保使用遵從USB BC1.2規范的適配器的智能手機能夠正常工作。該規范還定義了一個(gè)恢復時(shí)間，即輸出從標稱(chēng)的電壓降至最低的電壓，然后再恢復的時(shí)間。輸出必須在指定的時(shí)間和DC容差內恢復。

表1列出了需要遵從USB BC1.2的規范的規格。響應時(shí)間和電壓似乎容易實(shí)現，尤其相對DC/DC轉換器而言，但AC/DC電源必須遵從DoE規范，而這是一個(gè)極大的挑戰。

Dialog電源轉換事業(yè)群(前iWatt Inc.)出品的iW1760遵從USB BC1.2規范，同時(shí)遵從DoE于2014年2月頒布的最新的能效標準以及歐盟頒布的最嚴格的能效標準“Code of Conduct Version 5, Tier 2”。圖4 顯示了iW1760在一個(gè)10W USB充電應用中的響應時(shí)間：輸出在6ms內響應了一個(gè)2A負載變化，并將輸出電壓保持在USB BC1.2 AC所要求的范圍內，并留出了一些余量。

一個(gè)響應速度更快的部件能夠以更少的電容實(shí)現更短的響應時(shí)間，同時(shí)滿(mǎn)足能效標準的要求。iW1786是一款數字控制器，能夠與次級側的一個(gè)用于檢測輸出電壓變化并向初級側發(fā)送即時(shí)反饋的組件(iW671)配合使用，實(shí)現快于獨立的初級側反饋的輸出。更短的響應時(shí)間和更小的電壓降為適配器的設計增加了很大的設計余量。另外，設計人員還可以減少用于在過(guò)渡期間維持輸出電壓所需的大容量電容量。初次審視這個(gè)增加一個(gè)次級側IC的想法可能看起來(lái)像是一次中立性的尺寸和成本權衡，但是，iW671為二級側內置了一個(gè)同步整流電路，從而消除了Schottky二極管，提高了能效。更短的響應時(shí)間降低了輸出電容，提高了能效，降低了散熱要求，并消除了二級側的一些組件，提供了一個(gè)高集成的解決方案。

圖5 顯示了iW1786+iW671 (對比IC)的瞬態(tài)響應時(shí)間，它比iW1760的原始響應時(shí)間有了明顯的改進(jìn)。動(dòng)態(tài)負載響應時(shí)間大幅縮短，從而為遵從USB BC1.2充電規范流留出了很大余量(1)。

圖5中的最小AC電壓為4.8V，提供了200mV的電壓跌落，而圖4中的電壓跌落為700mV。圖5中的響應時(shí)間約為3ms，大約為圖4中的一半。這改進(jìn)了跌落的速度，甚至不到圖4中的一半。

W1786采用一個(gè)復雜、並有多個(gè)控制環(huán)路的專(zhuān)有數字內核。iW1786控制器中所使用的新一代的數字控制環(huán)路具備響應速度快、外部組件少、無(wú)需外部補償組件也能維持多個(gè)控制環(huán)路的穩定性的特點(diǎn)。模擬電路的或許夠實(shí)現同類(lèi)電路，但最終卻帶來(lái)了更大的電路尺寸、更高的成本和更困難補償。

數字技術(shù)正在將掀開(kāi)一個(gè)新的電源設計時(shí)代，甚至能為那些不精通電源的設計工程師提供靈活、易用的解決方案。數字電源管理技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步讓快速響應成為可能，并讓消費電子應用的電源適配器能夠在不犧牲性能的情況下，滿(mǎn)足國際能效規定。

注

(1)用于測試這兩種不同器件的電路是相同的，采用相同的磁性和無(wú)源組件。唯一的區別是用于生成圖4和圖5中的兩個(gè)波形的被測器件(DUT)。