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有效減少外置電源模塊的能量消耗

時(shí)間:2009-10-02 10:41:41來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 作者:admin 點(diǎn)擊:
無(wú)

能有效減少外置電源能量消耗問(wèn)題是目前工程師面臨的一大問(wèn)題。當代電子技術(shù)也有一些能減少能量消耗,但還是不理想。需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新技術(shù)要改善目前的局面。從而有效減少外置電源的能量消耗。

    政府機構和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規和措施,來(lái)鼓勵工程師開(kāi)發(fā)效率更高的產(chǎn)品,尤其是在使用外置電源的時(shí)候。要滿(mǎn)足這些法規,半導體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用,它們不斷推出可降低待機功耗、提高效率的產(chǎn)品來(lái)達到法規的要求。


    使用外置電源的產(chǎn)品非常廣泛,如筆記本電腦、打印機、調制解調器、電池充電器等。雖然這些產(chǎn)品的單個(gè)功耗不大,但其數量巨大、使用頻繁,效率每提高一個(gè)百分點(diǎn)所節約的能源也是非?捎^(guān)的。據美國環(huán)境保護署的能源之星計劃估算,提高這些產(chǎn)品的電源效率每年可節能3200萬(wàn)千瓦時(shí)。


   能源之星計劃始于20世紀90年代,其目的是通過(guò)提高消費類(lèi)電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機時(shí)的效率來(lái)節能。該計劃在2001年進(jìn)行了擴展,提出了1w議案,要求一些家電和消費類(lèi)電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機時(shí)的功耗小于1w。


要達到能源之星的標準,一個(gè)產(chǎn)品必須滿(mǎn)足在“開(kāi)啟”或工作模式,以及“關(guān)閉”或無(wú)負載(電源已經(jīng)接到交流市電,但未連接設備)兩種狀態(tài)下的效率標準。


   能源之星對外置電源的測試方法會(huì )在工作模式測量在輸出標稱(chēng)電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的效率,然后計算四種狀態(tài)下的測試平均值,在此基礎上,再利用表1的公式確定最小的平均效率。 


   現在已經(jīng)有一些具有成本效益的成熟方案可滿(mǎn)足上述要求。僅僅在幾年前,笨重的60hz變壓器、線(xiàn)性穩壓器還被認為是容易設計且性?xún)r(jià)比高的方案。然而,這種設計不能滿(mǎn)足新的標準。大多數外置電源都采用了開(kāi)關(guān)模式來(lái)提高效率。出于對外置電源模塊功率級別的考慮,人們通常選用反激式轉換器這種拓撲,這種拓樸可以使用集成的功率開(kāi)關(guān),如fairchild power switch(fps)。


   高電壓fet與控制器封裝在一起,從而減少了器件數量、成本和電路板面積。使用固定頻率反激式轉換器,可以將使用60hz變壓器的外置電源的效率,從45%~59%提高到75%~85%,而且還有進(jìn)一步提高效率的辦法。例如,采用準諧振技術(shù)可以減少主開(kāi)關(guān)fet中的開(kāi)關(guān)損耗,可以將效率提高最多5%,為更好地理解這一點(diǎn),可以回顧一下硬開(kāi)關(guān)轉換器的工作過(guò)程。
當fet關(guān)斷時(shí),包括fet的coss等在內的寄生電容、變壓器電容、反射回來(lái)的二極管電容將會(huì )充電。當fet重新回到導通狀態(tài)時(shí),這些寄生電容又會(huì )對fet放電,由此導致的很大的峰值電流是開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。


    然而,在準諧振轉換器中,控制器會(huì )檢測fet的源漏極間的電壓,控制器僅在源漏極間的電壓最小時(shí)的第一個(gè)波谷處使fet導通,開(kāi)關(guān)頻率與振蕩器無(wú)關(guān),而是取決于主電感、電容、輸入電壓和輸出功率。

    準諧振開(kāi)關(guān)方式大大削減了電流尖峰,從而也就減小了開(kāi)關(guān)損耗和emi。采用這種設計,可以實(shí)現零電壓、高效率,并減小開(kāi)關(guān)fet上的應力。

    幾種辦法可以提高待機模式的效率,這些方法通常都采用降低開(kāi)關(guān)頻率的技術(shù),因為在待機狀態(tài)下,開(kāi)關(guān)損耗占了總損耗的大部分,并且與頻率直接相關(guān)。

    如果反激式電源工作在非連續模式下,輸出二極管的開(kāi)關(guān)損耗會(huì )很低,因為在電壓翻轉之前,流過(guò)二極管的電流為零。初級側f(wàn)et的開(kāi)關(guān)損耗可以用式(1)來(lái)近似計算,其中vds是漏源電壓,fsw是開(kāi)關(guān)頻率,idspk是峰值耗盡電流,tswon和tswoff)是轉換時(shí)間。

pswfet=1/2vdsidspk fsw(tswon=tswoff) (1)

為改善待機效率,fps使用了突發(fā)模式來(lái)降低待機時(shí)的頻率。當產(chǎn)品的負載進(jìn)一步減小,反饋電壓vfb也會(huì )減小。當反饋電壓低于500mv時(shí),器件會(huì )自動(dòng)進(jìn)入突發(fā)模式。主器件仍然會(huì )繼續工作,但內部的電流限值將會(huì )降低,以限值變壓器中的磁通密度。當反饋電壓繼續降低時(shí),器件仍將繼續開(kāi)和關(guān)。當反饋電壓降低到350mv時(shí),器件將停止開(kāi)關(guān),電源的輸出電壓將根據負載電流的大小,成比例地降低,從而使反饋電壓升高。當vfb達到500mv時(shí),器件將重新進(jìn)行開(kāi)關(guān),重復上面的過(guò)程。這種突發(fā)模式的好處是可以大幅降低在待機模式下浪費的功率。例如,在驅動(dòng)0.3w負載時(shí),飛兆公司的fsdh321僅從市電網(wǎng)吸收0.65w的功率。

降低待機模式和活動(dòng)模式的另一種辦法是減小消耗在啟動(dòng)電阻上的功率,因為除非采用昂貴的切斷電路,在將電源接到交流市電時(shí)會(huì )用到啟動(dòng)電阻。大多數fps器件的內部有一個(gè)高壓電流源,因此不需要啟動(dòng)電阻。在系統啟動(dòng)之后,電流源與高壓直流部分的連接會(huì )被切斷,從而節約更多的能源。本文中介紹一些目前能達到減少外置電源模塊的能量消耗問(wèn)題,還有一些技術(shù)要等工程師不斷開(kāi)發(fā)。從而改進(jìn)能量消耗問(wèn)題。

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