在各種負載條件下保持高效率的電源控制器

在各種負載條件下保持高效率的電源控制器

Power Supply Controller to Keep Efficiency High Across All Loads

此文章先發(fā)表在美國的“Electronic Design”2001年12月刊，香港科匯（亞太）有限公司（Memec）得到此雜志的轉載許可，并做了翻譯。

過(guò)去數十年中，傳統的模擬和脈寬調制（PWM）功率轉換器完全能滿(mǎn)足電源設計的要求，但近來(lái)似乎遇到了困難。為了使轉換效率那怕提高1％，也需要在拓撲結構、相關(guān)元器件和電路設計等方面做出重大改進(jìn)。在系統和市場(chǎng)需求不斷推陳出新的壓力下，電源設計師們開(kāi)始尋求一種能在各種工頻和負載條件下都更靈活、更可靠且性能更出色的產(chǎn)品，當然希望能在不增加成本的前提下，獲得這一切。

利用半導體先鋒iWattInc公司研發(fā)的數字技術(shù)，一種新型的功率轉換控制器不僅能做到這些，而且使電源具有了前所未有的靈活性和可編程能力，這是傳統PWM和其它模擬方法所無(wú)法實(shí)現的。這些控制器能顯著(zhù)改善AC/DC和DC/DC功率轉換方案的整機成本和性能，包括隔離和直接耦合轉換器。

iWattInc公司開(kāi)發(fā)了一種名為“pulse Train”的專(zhuān)利穩壓技術(shù)。應用這一新技術(shù)，iWatt公司推出了一系列新的數字化開(kāi)關(guān)電源（SMPS）控制器。iWatt公司希望這些新產(chǎn)品能克服老式技術(shù)的各種缺點(diǎn)，為電源設計數字化鋪平道路。

測試表明，對于帶有源功率因數校正（PFC）電路的60W單級單開(kāi)關(guān)AC/DC轉換器，在85～265V整個(gè)工頻電壓范圍內，新的數字化控制器在各種負載條件下的效率高達80％至89％。如圖1所示。此數字化控制器具有無(wú)需光耦器件；只用初級反饋進(jìn)行控制而無(wú)需反饋電路補償；以及能適應任何拓撲結構的電源等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 電源效率

采用PWM控制器的電源在輕負載時(shí)效率和穩定性通常將明顯降低。pulse Train技術(shù)由于無(wú)需昂貴的光耦器件和相關(guān)元器件，使得電源更便宜、更輕便。與模擬產(chǎn)品不同，這種數字方案還為250W以下的AC/DC應用提供了內建的有源PFC特性。

pulse Train技術(shù)的特點(diǎn)是采用了一對脈沖發(fā)生器（一個(gè)功率脈沖發(fā)生器和一個(gè)檢測脈沖發(fā)生器）。此方案中，功率脈沖用于變壓器至負載的能量傳遞，而檢測脈沖用于監測負載電壓，優(yōu)化程序用于設定脈沖的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。脈沖比控制器（PRC）利用初級反饋，通過(guò)逐脈沖選通固定寬度和固定周期的功率脈沖來(lái)實(shí)現穩壓。如圖2所示。

圖2 脈沖比控制（PRC）示意圖

iWatt首席技術(shù)官Mark Telefus解釋道，在傳統的模擬PWM或脈沖頻率調制（PFM）轉換器中，每個(gè)功率脈沖的大小是根據能使輸出電壓正好符合

目標來(lái)決定的。與此不同，pulseTrain轉換器的工作更象是數字化“開(kāi)關(guān)式”伺服系統。pulse Train每個(gè)周期對二進(jìn)制誤差信號取樣，來(lái)確定是否發(fā)出功率脈沖，使輸出電壓朝目標方向變動(dòng)。因此，輸出電壓被限定在目標電壓附近很窄的范圍內。對各種實(shí)際應用而言，它比傳統模擬穩壓器的紋波更小。

從本質(zhì)上講，數字化pulse Train是通過(guò)發(fā)出或封鎖功率脈沖來(lái)控制輸出電壓的。例如，輸出電壓低于設定電平時(shí)，脈沖發(fā)生器就會(huì )連續發(fā)出功率脈沖，直到達到所需電平。同樣地，如果輸出電壓高于所需的電平，它就發(fā)出檢測脈沖而不是功率脈沖。檢測脈沖的開(kāi)通時(shí)間比功率脈沖短得多，傳遞的能量也少得多。如圖3所示。

圖3 功率脈沖控制輸出電壓

有趣的是，此技術(shù)還能從穩壓過(guò)程中分離脈沖形狀。這樣，我們就可以獨立設置開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，來(lái)實(shí)現各種系統優(yōu)化。關(guān)斷時(shí)間可設置為確保當在次級電流降為零時(shí)，反激式轉換器中的開(kāi)關(guān)才開(kāi)通。另一方面，開(kāi)通時(shí)間可設置為確保峰值初級電流保持恒定?？傊?，這些優(yōu)化會(huì )使電源轉換器在整個(gè)工頻電壓和負載范圍內產(chǎn)生更高效的響應。

iWatt公司針對各種不同AC/DC和DC/DC轉換應用，開(kāi)發(fā)出了三種實(shí)現pulse Train技術(shù)的芯片，并在其中集成了其它一些功能，如控制邏輯、波形分析儀、多路復用器、穩壓器及驅動(dòng)器等。iW2101是隔離DC/DC控制器芯片，iW2201為AC/DC控制器芯片，iW2202為內帶有源PFC電路的單片式AC/DC控制器。

與使用復雜電路和普通PWM控制器的其它PFC方案不同，iW2202的PFC和穩壓都由單級單開(kāi)關(guān)拓撲結構中的初級反饋提供。如圖4所示。在相同應用中，其它PFC方案都會(huì )使大電容兩端電壓超過(guò)1000V，而iW2202方案不超過(guò)400V。這