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2013年電氣工程師考試專業(yè)知識知識點4

發(fā)表時間:2013/2/28 14:03:09 來源:互聯(lián)網(wǎng) 點擊關(guān)注微信:關(guān)注中大網(wǎng)校微信
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為提高2013年注冊電氣工程師考試的考生的復(fù)習(xí)效率,有針對性的進(jìn)行各科目的復(fù)習(xí),本文將主要針對電氣工程師考試科目專業(yè)基礎(chǔ)》相關(guān)知識點進(jìn)行詳細(xì)的講解,希望對您參加本次考試有所幫助,并在此預(yù)祝您金榜題名!

開關(guān)電源功耗分析

一、引言

隨著能源效率和環(huán)保的日益重要,人們對開關(guān)電源待機(jī)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BLUEANGEL,ENERGYSTAR,ENERGY2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn),而歐盟對開關(guān)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(guān)電源,待機(jī)功耗需分別小于0.3W,0.5W和0.75W.而目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時,電源效率急劇下降,待機(jī)效率不能滿足要求。這就給電源設(shè)計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

二、開關(guān)電源功耗分析

要減小開關(guān)電源待機(jī)損耗,提高待機(jī)效率,首先要分析開關(guān)電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例,其工作損耗主要表現(xiàn)為:MOSFET導(dǎo)通損耗,MOSFET寄生電容損耗,開關(guān)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(hù)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(guān)系,即與單位時間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)成正比。在待機(jī)狀態(tài),主電路電流較小,MOSFET導(dǎo)通時間ton很小,電路工作在DCM模式,故相關(guān)的導(dǎo)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(guān)交疊損耗和啟動電阻損耗構(gòu)成。

三、提高待機(jī)效率的方法

根據(jù)損耗分析可知,切斷啟動電阻,降低開關(guān)頻率,減小開關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗,提高待機(jī)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(zhǔn)諧振模式(QuasiResonant,QR)切換至脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM),脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation,PFM);可控脈沖模式(BurstMode)。

(一)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(shè)啟動電阻取值為47kΩ,消耗功率將近2W.要改善待機(jī)效率,必須在啟動后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH,ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動電路,可在啟動后關(guān)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。

(二)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(dāng)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(nèi)置了這樣的模塊,能根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)頻率。

(三)切換工作模式

1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源,在待機(jī)時切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如,對于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz),可在待機(jī)時切換至低頻的脈寬調(diào)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(jī)效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時候,輔助繞組電壓較小,Q1關(guān)斷,諧振信號不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個門限電壓,不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。

2.PWM→PFM

對于額定功率時工作在PWM模式的開關(guān)電源,也可以通過切換至PFM模式提高待機(jī)效率,即固定開通時間,調(diào)節(jié)關(guān)斷時間,負(fù)載越低,關(guān)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(zhuǎn)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(fù)載越低,PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機(jī)信號加在其PW/引腳上,在額定負(fù)載條件下,該引腳為高電平,電路工作在PWM模式,當(dāng)負(fù)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(jī)狀態(tài)時的電源效率。

通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率,提高待機(jī)效率,可保持控制器一直在運作,在整個負(fù)載范圍中,輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下,能夠快速反應(yīng),反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

(四)可控脈沖模式(BurstMode)

可控脈沖模式,也可稱為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)條件時,由周期比PWM控制器時鐘周期大的信號控制電路某一環(huán)節(jié),使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效,如圖6所示。這樣即可實現(xiàn)恒定頻率下通過減小開關(guān)次數(shù),增大占空比來提高輕載和待機(jī)的效率。該信號可以加在反饋通道,PWM信號輸出通道,PWM芯片的使能引腳(如LM2618,L6565)或者是芯片內(nèi)部模塊(如NCP1200,F(xiàn)SD200,L6565和TinySwitch系列芯片)。

NCP1200的內(nèi)部跳周期模塊結(jié)構(gòu)見圖7,當(dāng)反饋檢測腳FB的電壓低于1.2V(該值可編程)時,跳周期比較器控制Q觸發(fā)器,使輸出關(guān)閉若干時鐘周期,也即跳過若干個周期,負(fù)載越輕,跳過的周期也越多。為免音頻噪音,只有在峰值電流降至某個設(shè)定值時,跳周期模式才有效。

而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實現(xiàn)可控脈沖模式,即將腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較,由比較結(jié)果控制門極驅(qū)動輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能??刂品答佂ǖ朗菍崿F(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

另外對于有使能腳的PWM控制器,如L6565等,用可控脈沖信號控制使能腳使控制芯片有效或失效,也可以實現(xiàn)BurstMode,上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。

四、存在的問題

以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機(jī)效率的同時,也帶來一些問題,首先是頻率降低導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加,其次如果頻率降至20kHz以內(nèi),可能有音頻噪音。而在BurstMode的OFF時期內(nèi),如果負(fù)載激增,輸出電壓會大大降低,如果輸出電容不夠大,電壓甚至可能降低至零。如果增大輸出電容,以減小輸出電壓紋波,則會導(dǎo)致成本增加,并會影響系統(tǒng)動態(tài)性能。因此必須綜合考慮。

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(責(zé)任編輯:xll)

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