降低外置電源的能量消耗的方法

節(jié)能設計正在席卷整個電子行業(yè)。電子設備的廣泛使用對電網(wǎng)的壓力越來越大，因此節(jié)能就顯得非常有必要了。

　　政府機構和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規(guī)和措施，來鼓勵工程師開發(fā)效率更高的產(chǎn)品，尤其是在使用外置電源的時候。要滿足這些法規(guī)，半導體公司將發(fā)揮關鍵作用，它們不斷推出可降低待機功耗、提高效率的產(chǎn)品來達到法規(guī)的要求。

　　使用外置電源的產(chǎn)品非常廣泛，如筆記本電腦、打印機、調(diào)制解調(diào)器、電池充電器等。雖然這些產(chǎn)品的單個功耗不大，但其數(shù)量巨大、使用頻繁，效 率每提高一個百分點所節(jié)約的能源也是非?？捎^的。據(jù)美國環(huán)境保護署的能源之星計劃估算，提高這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬千瓦時。

　　能源之星計劃始于20世紀90年代，其目的是通過提高消費類電子產(chǎn)品在關閉或待機時的效率來節(jié)能。該計劃在2001年進行了擴展，提出了1W議案，要求一些家電和消費類電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機時的功耗小于1W。

　　要達到能源之星的標準，一個產(chǎn)品必須滿足在“開啟”或工作模式，以及“關閉”或無負載(電源已經(jīng)接到交流市電，但未連接設備)兩種狀態(tài)下的效率標準。這些標準請參見表1和表2。

　　表1公式中的Ln指的是自然對數(shù)。能源之星對外置電源的測試方法會在工作模式測量在輸出標稱電流的100%、75%、50%、25%時的效率，然后計算四種狀態(tài)下的測試平均值，在此基礎上，再利用表1的公式確定最小的平均效率。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有一些具有成本效益的成熟方案可滿足上述要求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線性穩(wěn)壓器還被認為是容易設計且性價比高的方 案。然而，這種設計不能滿足新的標準。大多數(shù)外置電源都采用了開關模式來提高效率。出于對外置電源模塊功率級別的考慮，人們通常選用反激式轉(zhuǎn)換器這種拓 撲，這種拓樸可以使用集成的功率開關，如Fairchild Power Switch(FPS)，見圖1。

　　圖1 普通的反激式轉(zhuǎn)換器可以使用集成開關

　　高電壓FET與控制器封裝在一起，從而減少了器件數(shù)量、成本和電路板面積。使用固定頻率反激式轉(zhuǎn)換器，可以將使用60Hz變壓器的外置電源的效率，從45%～59%提高到75%～85%，而且還有進一步提高效率的辦法。

　　例如，采用準諧振技術可以減少主開關FET中的開關損耗，可以將效率提高最多5%，為更好地理解這一點，可以回顧一下硬開關轉(zhuǎn)換器的工作過程，參見圖2。

　　圖2 硬開關轉(zhuǎn)換器的MOSFET波形

　　當FET關斷時，包括FET的Coss等在內(nèi)的寄生電容、變壓器電容、反射回來的二極管電容將會充電。當FET重新回到導通狀態(tài)時，這些寄生電容又會對FET放電，由此導致的很大的峰值電流是開關損耗的主要原因。

　　然而，在準諧振轉(zhuǎn)換器中，控制器會檢測FET的源漏極間的電壓，控制器僅在源漏極間的電壓最小時的第一個波谷處使FET導通，開關頻率與振蕩器無關，而是取決于主電感、電容、輸入電壓和輸出功率。圖3顯示了這種方式的工作原理。