开关电源功耗分析、提高待机效率的方法

随着能源效率和环保的日益重要，人们对开关电源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，有满载空载等几个测试点都有很高的要求。而目前大多数开关电源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、开关电源功耗分析

开关稳压电源从原理上是由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成，其中主电路是指从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波。它们的作用分别是首先将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。其次是将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。再将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

最后根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。控制电路的作用一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。

据开关电源的内部原理，要减小开关电源待机损耗，提高待机效率，首先要分析开关电源损耗的构成。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(PulseWidthModulation，PWM)，脉宽调制切换至脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM)；可控脉冲模(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。如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。现在市面上有非常多的电源管理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开关电源，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如，对于准谐振式开关电源（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）。

2．PWM→PFM

对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，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。显而易见，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。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。

这种芯片在工作时，当反馈检测脚FB的电压低于一个阀值（如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。

而有些芯片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一。

另外对于有使能脚的PWM控制器，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Burs式的迟滞比较器产生。

（五）存在的问题

以上介绍的切断启动电阻、降低开关频率，减小开关次数等方法均可减小待机损耗，提高待机效率，但也带来一些问题 ，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。因此在采取相关措施来减小开关电源待机损耗，提高待机效率的同时，也必须综合考虑相关因素。

四、提高电源整机效率的一般方法

以下是提高开关电源效率的电路和系统方法：

（1）ZVS（零电压开关）、ZCS（零电流开关）等利用谐振开关来降低开关损耗的方法。

（2）运用以有源箝位电路为代表的边缘谐振（Edge Resonance）来降低开关损耗。

（3）通过延展开关元件的导通时间以抑制峰值电流的方法来减少固定损耗。

（4）在低电压大电流的场合通过改善同步整流电路的方法来减少固定损耗。

（5）利用转换器的并联结构来减少固定损耗。

其中，第一种方法对于降低开关损耗极为有效，但问题是因峰值电流和峰值电压所导致的固定损耗将会增加。第二种方法是为解决该问题而开发的有源缓冲器（Active Snubber），是一种极为实用的ZVS方式；但是，由轻负载条件下的无功电流所引发的效率下降问题却是其一大缺陷。第三种方法中，采用抽头电感器（Tap Inductor）的方式是比较有效的，它能够应付由漏感所引起的浪涌现象。

关于第四种方法，两段式结构是实现同步整流电路高效工作的方法之一，它采用接近0.5的固定时间比率（Time Ratio），并由前段的转换器来进行输出电压控制。它一反“两段式结构将导致效率下降”这一传统思维模式，在低电压大电流的场合非常有效。至于第五种方法，既可将整个转换器电路进行并联，也可像电流倍增器（Current Doubler）那样部分采用并联结构。下面将对利用转换器的并联操作所实现的效率提升情况进行简要阐述。