Switching power supply提高待机效率的方法

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要减小switching power supply待机损耗，提高待机效率，首先要分析SMPS损耗的构成。根据损耗分析可知，切断启动电阻，降低开关频率，减小开关次数可减小待机损耗，提高待机效率。本文简要介绍提高DC power supply待机效率的方法。

一、引言

      随着能源效率和环保的日益重要，人们对switching power supply待机效率期望越来越高，客户要求电源制造商提供的电源产品能满足BLUEANGEL，ENERGYSTAR，ENERGY2000等绿色能源标准，而欧盟对switch mode power supply的要求是：到2005年，额定功率为0.3W～15W，15W～50W和50W～75W的switching power supplies，待机功耗需分别小于0.3W，0.5W和0.75W。而目前大多数AC-DC power supply由额定负载转入轻载和待机状态时，电源效率急剧下降,待机效率不能满足要求。这就给电源设计工程师们提出了新的挑战。

二、SMPS功耗分析
 
      要减小switch power supply待机损耗，提高待机效率，首先要分析switch power supply损耗的构成。以反激式电源为例，其工作损耗主要表现为：MOSFET导通损耗，MOSFET寄生电容损耗，开关交叠损耗，PWM控制器及其启动电阻损耗，输出整流管损耗，箝位保护电路损耗，反馈电路损耗等。其中前三个损耗与频率成正比关系，即与单位时间内器件开关次数成正比。在待机状态，主电路电流较小，MOSFET导通时间ton很小，电路工作在DCM模式，故相关的导通损耗，次级整流管损耗等较小，此时损耗主要由寄生电容损耗和开关交叠损耗和启动电阻损耗构成。
 
三、提高待机效率的方法
 
      根据损耗分析可知，切断启动电阻，降低开关频率，减小开关次数可减小待机损耗，提高待机效率。具体的方法有：降低时钟频率；由高频工作模式切换至低频工作模式，如准谐振模式（QuasiResonant，QR）切换至脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）,脉宽调制切换至脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，PFM）；可控脉冲模式（BurstMode）。
 
    （一）切断启动电阻

      对于反激式电源，启动后控制芯片由辅助绕组供电，启动电阻上压降为300V左右。设启动电阻取值为47kΩ，消耗功率将近2W。要改善待机效率，必须在启动后将该电阻通道切断。TOPSWITCH，ICE2DS02G内部设有专门的启动电路，可在启动后关闭该电阻。若控制器没有专门启动电路，也可在启动电阻串接电容，其启动后的损耗可逐渐下降至零。缺点是电源不能自重启，只有断开输入电压，使电容放电后才能再次启动电路。
 
    （二）降低时钟频率
 
      时钟频率可平滑下降或突降。平滑下降就是当反馈量超过某一阈值，通过特定模块，实现时钟频率的线性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片内置了这样的模块，能根据负载大小调节频率。
 
    （三）切换工作模式

      1．QR→PWM。对于工作在高频工作模式的switching power supply，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如，对于准谐振式DC power supply（工作频率为几百kHz到几MHz），可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM（几十kHz）。
      IRIS40xx芯片就是通过QR与PWM切换来提高待机效率的。当电源处于轻载和待机时候，辅助绕组电压较小，Q1关断，谐振信号不能传输至FB端，FB电压小于芯片内部的一个门限电压，不能触发准谐振模式，电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。

      2．PWM→PFM。对于额定功率时工作在PWM模式的SMPS，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。图5是采用NS公司的LM2618控制的Buck转换器电路和分别采用PWM和PFM控制方法的效率比较曲线。由图可见，在轻载时采用PFM模式的电源效率明显大于采用PWM模式时的效率，且负载越低，PFM效率优势越明显。将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。
      通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内。
 
    （四）可控脉冲模式（BurstMode）
 
      可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式（SkipCycleMode）是指当处于轻载或待机条件时，由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节，使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效，如图6所示。这样即可实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率。该信号可以加在反馈通道，PWM信号输出通道，PWM芯片的使能引脚（如LM2618，L6565）或者是芯片内部模块（如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片）。

      NCP1200的内部跳周期模块结构见图7，当反馈检测脚FB的电压低于1.2V（该值可编程）时，跳周期比较器控制Q触发器，使输出关闭若干时钟周期，也即跳过若干个周期，负载越轻，跳过的周期也越多。为免音频噪音，只有在峰值电流降至某个设定值时，跳周期模式才有效。

      而FSD200则是通过控制内部驱动器实现可控脉冲模式，即将脚的反馈电压与0.6V/0.5V迟滞比较器比较，由比较结果控制门极驱动输出。我们可根据此原理用分立元件实现普通芯片的BurstMode功能。控制反馈通道是实现一般PWM控制器的可控脉冲模式的方法之一。

      另外对于有使能脚的PWM控制器，如L6565等，用可控脉冲信号控制使能脚使控制芯片有效或失效，也可以实现BurstMode，上述BurstSignal可由迟滞比较器产生。

四、存在的问题

      以上介绍的降频和BurstMode方法在提高待机效率的同时，也带来一些问题，首先是频率降低导致输出电压纹波的增加，其次如果频率降至20kHz以内，可能有音频噪音。而在BurstMode的OFF时期内，如果负载激增，输出电压会大大降低，如果输出电容不够大，电压甚至可能降低至零。如果增大输出电容，以减小输出电压纹波，则会导致成本增加，并会影响系统动态性能，因此必须综合考虑。

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