如何降低外置電源的能量消耗

　節(jié)能設(shè)計(jì)正在席卷整個(gè)電子行業(yè)。電子設(shè)備的廣泛使用對(duì)電網(wǎng)的壓力越來(lái)越大，因此節(jié)能就顯得非常有必要了。

　　政府機(jī)構(gòu)和公用事業(yè)公司提出了一系列的法規(guī)和措施，來(lái)鼓勵(lì)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。要滿足這些法規(guī)，半導(dǎo)體公司將發(fā)揮關(guān)鍵作用，它們不斷推出可降低待機(jī)功耗、提高效率的產(chǎn)品來(lái)達(dá)到法規(guī)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(jī)、調(diào)制解調(diào)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(shù)量巨大、使用頻繁，效 率每提高一個(gè)百分點(diǎn)所節(jié)約的能源也是非常可觀的。據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的能源之星計(jì)劃估算，提高這些產(chǎn)品的電源效率每年可節(jié)能3200萬(wàn)千瓦時(shí)。

　　能源之星計(jì)劃始于20世紀(jì)90年代，其目的是通過(guò)提高消費(fèi)類電子產(chǎn)品在關(guān)閉或待機(jī)時(shí)的效率來(lái)節(jié)能。該計(jì)劃在2001年進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了1W議案，要求一些家電和消費(fèi)類電子產(chǎn)品在接到交流市電并待機(jī)時(shí)的功耗小于1W。

　　要達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)產(chǎn)品必須滿足在“開(kāi)啟”或工作模式，以及“關(guān)閉”或無(wú)負(fù)載(電源已經(jīng)接到交流市電，但未連接設(shè)備)兩種狀態(tài)下的效率標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參見(jiàn)表1和表2。

　　表1公式中的Ln指的是自然對(duì)數(shù)。能源之星對(duì)外置電源的測(cè)試方法會(huì)在工作模式測(cè)量在輸出標(biāo)稱電流的100%、75%、50%、25%時(shí)的效率，然后計(jì)算四種狀態(tài)下的測(cè)試平均值，在此基礎(chǔ)上，再利用表1的公式確定最小的平均效率。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有一些具有成本效益的成熟方案可滿足上述要求。僅僅在幾年前，笨重的60Hz變壓器、線性穩(wěn)壓器還被認(rèn)為是容易設(shè)計(jì)且性價(jià)比高的方 案。然而，這種設(shè)計(jì)不能滿足新的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)外置電源都采用了開(kāi)關(guān)模式來(lái)提高效率。出于對(duì)外置電源模塊功率級(jí)別的考慮，人們通常選用反激式轉(zhuǎn)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)，見(jiàn)圖1。

　　圖1 普通的反激式轉(zhuǎn)換器可以使用集成開(kāi)關(guān)

　　高電壓FET與控制器封裝在一起，從而減少了器件數(shù)量、成本和電路板面積。使用固定頻率反激式轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器的工作過(guò)程，參見(jiàn)圖2。

　　圖2 硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的MOSFET波形

　　當(dāng)FET關(guān)斷時(shí)，包括FET的Coss等在內(nèi)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(dāng)FET重新回到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，這些寄生電容又會(huì)對(duì)FET放電，由此導(dǎo)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(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，控制器會(huì)檢測(cè)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(dǎo)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。圖3顯示了這種方式的工作原理。