詳解如何實現(xiàn)開關電源待機低功耗

　　1、引言

　　隨著能源效率和環(huán)保的日益重要，人們對開關電源待機效率期望越來越高，客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUE ANGEL，ENERGY STAR， ENERGY 2000等綠色能源標準，而歐盟對開關電源的要求是：到2005年，額定功率為0.3W~15W，15W~50W和50W~75W的開關電源，待機功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W。而目前大多數(shù)開關電源由額定負載轉入輕載和待機狀態(tài)時，電源效率急劇下降，待機效率不能滿足要求。這就給電源設計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

　　2、開關電源功耗分析

　　要減小開關電源待機損耗，提高待機效率，首先要分析開關電源損耗的構成。以反激式電源為例，其工作損耗主要表現(xiàn)為：MOSFET導通損耗

　　MOSFET寄生電容損耗

　　開關交疊損耗，PWM控制器及其啟動電阻損耗，輸出整流管損耗，箝位保護電路損耗，反饋電路損耗等。其中前三個損耗與頻率成正比關系，即與單位時間內器件開關次數(shù)成正比。

　　在待機狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導通時間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關的導通損耗，次級整流管損耗等較小，此時損耗主要由寄生電容損耗和開關交疊損耗和啟動電阻損耗構成。

　　3、提高待機效率的方法

　　根據(jù)損耗分析可知，切斷啟動電阻，降低開關頻率，減小開關次數(shù)可減小待機損耗，提高待機效率。具體的方法有：降低時鐘頻率;由高頻工作模式切換至低頻工作模式，如準諧振模式（Quasi Resonant，QR）切換至脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）， 脈寬調制切換至脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation， PFM）;可控脈沖模式（Burst Mode）。

　　3.1 切斷啟動電阻

　　對于反激式電源，啟動后控制芯片由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。設啟動電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W。要改善待機效率，必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內部設有專門的啟動電路，可在啟動后關閉該電阻。若控制器沒有專門啟動電路，也可在啟動電阻串接電容，其啟動后的損耗可逐漸下降至零。缺點是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動電路。而圖1所示的啟動電路，則可避免以上問題，而且該電路功耗僅為0.03W。不過電路增加了復雜度和成本。

　　圖1 UC3842反激式電源啟動電路

　　3.2　降低時鐘頻率

　　時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實現(xiàn)時鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內置了這樣的模塊，能根據(jù)負載大小調節(jié)頻率，圖2所示是SG6848時鐘頻率與其反饋電流的關系。

　　圖2 SG6848反饋電流與時鐘頻率的關系

　　突降實現(xiàn)方法如圖3：以UCC3895為例，當電源處于正常負載狀態(tài)時，Q1導通，其時鐘周期為：

　　當電源進入待機狀態(tài)時，Q1關閉，時鐘周期增大為

　　即開關頻率減小。開關損耗降為降頻前的

　?。ㄐ∮?）倍。L5991和Infineon公司的CoolSet F2系列已經(jīng)集成了該功能。

　　　　3.3切換工作模式

　　3.3.1 QR→PWM

　　對于工作在高頻工作模式的開關電源，在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如，對于準諧振式開關電源（工作頻率為幾百kHz到幾MHz），可在待機時切換至低頻的脈寬調制控制模式PWM（幾十kHz）。

　　IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機效率的。圖4是IRIS4015構成的反激式開關電源，重載時，輔助繞組電壓大，R1分壓大于0.6V，Q1導通，輔助準諧振信號經(jīng)過D1，D2，R3，C2構成的延時電路到達IRIS4015的FB腳，內部比較器對該信號進行比較，電路工作在準諧振模式。當電源處于輕載和待機時候，輔助繞組電壓較小，Q1關斷，諧振信號不能傳輸至FB端，F(xiàn)B電壓小于芯片內部的一個門限電壓，不能觸發(fā)準諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調制控制模式。

　　圖4 由IRIS4015構成的QR/PWM反激式電源電路

　　3.3.2 PWM→PFM

　　對于額定功率時工作在PWM模式的開關電源，，也可以通過切換至PFM模式提高待機效率，即固定開通時間，調節(jié)關斷時間，負載越低，關斷時間越長，工作頻率也越低。圖5是采用NS公司的LM2618控制的Buck轉換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。由圖可見，在輕載時采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時的效率，且負載越低，PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機信號加在其PW/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當負載低于某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機狀態(tài)時的電源效率。