最大化從滿負(fù)載到空負(fù)載時(shí)的 AC/DC 效率

雖然在 AC/DC 電源設(shè)計(jì)中最大化滿負(fù)載時(shí)的電源效率是一個(gè)優(yōu)先考慮的因素， 但是待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)以及新型電源效率標(biāo)準(zhǔn)也隱現(xiàn)出了更多的考慮因素。因此， 除 了“高效”這個(gè)一般性課題以外，設(shè)計(jì)人員還正在努力尋找其他方法來(lái)最大化端 到端的節(jié)能。

　　事實(shí)上，對(duì)于采用 AC 電源適配器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，節(jié)約幾毫瓦的功耗 是一個(gè)特別令人關(guān)注的問(wèn)題，這一問(wèn)題正在全球引起廣泛關(guān)注。 準(zhǔn)諧振控制、谷值電壓轉(zhuǎn)換以及多模運(yùn)行（即脈沖跳躍模式）都可提供一種解決 方案。在本文中，我們將對(duì)當(dāng)今綠色環(huán)保型 IC 控制器中所采用的一些技術(shù)進(jìn)行 總結(jié)，以最小化轉(zhuǎn)換器整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的能源損耗。

　　限制待機(jī)功耗

　　在包括了智能電子產(chǎn)品和“快速”響應(yīng)在內(nèi)的設(shè)計(jì)思路中，當(dāng)今的 AC/DC 電源 轉(zhuǎn)換器通常會(huì)在待機(jī)模式上耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且總是存在某種電源漏極。無(wú)論 我們討論的是遙控電視機(jī)、視頻設(shè)備、無(wú)繩電話或無(wú)線路由器的外部低壓電源、 辦公設(shè)備（復(fù)印機(jī)和打印機(jī)）還是諸如筆記本電腦的電池充電器，基本上來(lái)說(shuō)這 都是同一個(gè)問(wèn)題。各個(gè)轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式下的實(shí)際功耗都是非常低的，通常為 0.3W 到 20W。但是無(wú)論待機(jī)功耗有多低，如果你將其與所使用的消費(fèi)類電子工 業(yè)產(chǎn)品、商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)量相乘以后得到的合計(jì)功耗就變的非常大了。

　　事際上，待機(jī)功耗所用的電力在歐盟國(guó)家的家庭和辦公用電中占到了 大約10%， 而在美國(guó)，待機(jī)功耗所用的電力則為總用電量的 4% 左右。諸如能源之星的開發(fā) 標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注空負(fù)載和輕負(fù)載時(shí)的能源節(jié)約、正常運(yùn)行時(shí)的更高效率、更低的總 諧波失真 (THD) 并接近單位功率因數(shù) (PF)。上表對(duì)外部單電壓 AC/DC 和 AC/AC 電源的能源之星標(biāo)準(zhǔn)作了總結(jié)。

　　滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員如何才能滿足能源之星和其他正在開發(fā)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)呢？他們先后 采用了有源鉗位和復(fù)位技術(shù)、轉(zhuǎn)移模式和交錯(cuò)式多相 PFC 技術(shù)、脈沖跳躍技術(shù)、 準(zhǔn)諧振控制技術(shù)以及谷值電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)。采用準(zhǔn)諧振控制、谷值電壓轉(zhuǎn)換以及脈 沖跳躍技術(shù)的反向轉(zhuǎn)換器就是其中的一種最佳的解決方案。

　　廣泛用于消費(fèi)類電子應(yīng)用的反向轉(zhuǎn)換器不但成本較低、易于控制，而且還可支持 多個(gè)輸出電壓軌（請(qǐng)參見圖 1，在此應(yīng)用中采用了 UCC28600 準(zhǔn)諧振芯片）。準(zhǔn) 諧振控制讓軟開關(guān)的使用變得更輕松，這樣不但提高了效率而且節(jié)約了能源。 在 準(zhǔn)諧振運(yùn)行中，次側(cè)主開關(guān)具有非常低的開啟電壓，當(dāng)其處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電源 就會(huì)再次產(chǎn)生可以為開關(guān)電容充電的能源。

　　相反，硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中連續(xù)和非連續(xù)電流模式（CCM 和 DCM）運(yùn)行的開啟損耗 非常高。為了在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都實(shí)現(xiàn)較好的能源節(jié)約的目的，根據(jù)負(fù)載條件的 不同，反向轉(zhuǎn)換器既可以在頻率返送 (FFM) 模式下運(yùn)行，也可以在脈沖跳躍模 式下運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，F(xiàn)FM 電路便立即返回到開關(guān)頻率下工作，從而降低開 關(guān)損耗；當(dāng)負(fù)載變得非常輕時(shí)，磁滯模式（也稱為綠色模式或突發(fā)模式）便開始 工作以啟動(dòng)脈沖跳躍。脈沖跳躍不但可以降低輕負(fù)載和空負(fù)載時(shí)的開關(guān)損耗，而 且還可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

　　對(duì)于具有前端 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用而言，在非常輕的負(fù)載時(shí)，關(guān)閉 PFC 運(yùn)行可 節(jié)約更多的能源。

　　電路

　　準(zhǔn)諧振控制是對(duì)運(yùn)行在臨界導(dǎo)電模式 (CrCM) 下采用零電壓開關(guān) (ZVS) 或谷值 開關(guān) (VVS) 技術(shù)的反向轉(zhuǎn)換器的描述。ZVS/VVS 運(yùn)行是由反向變壓器一次側(cè)繞 組電感和一次側(cè)主 MOSFET 開關(guān) (CDS) 的總等效電容形成的 LC 諧振引起的。在 諧振開關(guān)切換過(guò)程中，MOSFET 兩端的電壓會(huì)下降。反向轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到該下降并 在谷值點(diǎn)開啟一次側(cè)開關(guān)。谷值電壓開關(guān)必須滿足兩個(gè)條件，第一個(gè)條件是：

　　其中，N 為變壓器匝比。在這種條件下，二次側(cè)反射電壓 (reflected secondary voltage) 非常高，足以促使一次側(cè) VDS 電壓變?yōu)?0。因此，0V 電壓就可以將 一次側(cè) MOSFET 開關(guān)開啟；第二個(gè)條件是：

　　在此條件下，二次側(cè)反射電壓不能將 VDS 電壓轉(zhuǎn)為 0V。相反，我們得到了一個(gè) “電壓谷值”。圖 2 顯示了準(zhǔn)諧振反向轉(zhuǎn)換器的典型 VVS 運(yùn)行。如果滿足了第 一個(gè)公式的條件，那么谷值電壓就會(huì)被擴(kuò)展到 0V。于是，我們就實(shí)現(xiàn)了 0 電壓 開關(guān)。

　　ZVS/VVS 不僅大大節(jié)約了能源，而且還提高了效率。對(duì)于一個(gè)給定的電容而言， 開關(guān)電源 Psw 由電容器兩端的電壓 CDS 以及開關(guān)頻率 fs 決定：