低電壓大電流的線性解決方案分析

目前發(fā)達國家對電器產(chǎn)品功耗方面的要求日益嚴(yán)格，并針對待機功耗制定了很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了符合這些規(guī)范，很多新技術(shù)應(yīng)運而生，主要思想是讓開關(guān)電源在負載很小或空載處于待機狀態(tài)時能夠以較低開關(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(dǎo)通時間調(diào)變(off time modulation)等三種較常用降頻技術(shù)，介紹如何降低開關(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)品在空載待機時的功耗定義了明確的規(guī)范，歐盟(EEC)公布的具體規(guī)定如表1所示，而在美國方面，從2001年7月起該國就規(guī)定政府機構(gòu)不得購買待機功耗超過1W的電器產(chǎn)品。 由此可見，在不久的未來，電源轉(zhuǎn)換器低待機功耗將成為基本要求，這也是電源設(shè)計工程師必須面臨的挑戰(zhàn)。

開關(guān)電源損耗分析

開關(guān)電源的損耗包含導(dǎo)通損耗、開關(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(shù)學(xué)方程式量化這些損耗，進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(zhuǎn)換器為例，將各部分損耗以數(shù)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(dǎo)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(jié)果可以很明顯看出，導(dǎo)通損耗和切換損耗與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的關(guān)系非常密切，而較高的頻率可以降低轉(zhuǎn)換器對儲能元件(電感與電容)大小的要求。為了降低轉(zhuǎn)換器待機時的損耗而讓轉(zhuǎn)換器在低負載或空載時將開關(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(yīng)用到實際電源管理IC上，以下我們將就其中三種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)分別介紹其設(shè)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(dāng)負載降低時，驅(qū)動功率開關(guān)的開關(guān)脈沖將被遮蔽(即跳過)，部分脈沖被省略也即等效于降低了開關(guān)頻率，可降低高頻開關(guān)帶來的損耗，然而這種降頻方式會造成輸出電壓突降或突升(圖2)。

在回掃轉(zhuǎn)換器里，初級開關(guān)導(dǎo)通時能量儲存在變壓器激磁電感中，開關(guān)截止后，原先儲存的能量被釋放到負載一側(cè)。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(dāng)負載降低到一定程度時，脈沖跳躍機制將使有效開關(guān)頻率減半，這意味著轉(zhuǎn)換器供應(yīng)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)生在等效開關(guān)頻率增加時，輸出電壓將發(fā)生突升。這種負載變動時輸出電壓突升與突降是開關(guān)頻率非連續(xù)變動(以整數(shù)倍增加或降低)的必然結(jié)果。

突變模式

突變模式技術(shù)又稱打嗝模式(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(jù)輸出電壓變化來調(diào)制脈沖寬度。 當(dāng)負載降低到一定程度時，控制電路將維持原有脈沖寬度，轉(zhuǎn)而周期性跳過部分脈沖，控制電路通過降低總脈沖寬度或增加遮蔽周期長度達到降低損耗的目的。該技術(shù)有兩個明顯的缺點，即低頻干擾會和遮蔽周期一起出現(xiàn)，而且負載突然改變也會造成輸出電壓突降。

非導(dǎo)通時間調(diào)制技術(shù)

圖4顯示了非導(dǎo)通時間調(diào)制的基本原理。當(dāng)負載改變時，開關(guān)頻率將連續(xù)降低或增加，開關(guān)頻率與輸出功率的關(guān)系如圖5所示。低負載或空載時這種連續(xù)調(diào)變降低開關(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題。