利用谷值電壓開關和多工作模式提高AC/DC轉換器效率

2021-01-08 電子產品世界

當前在AC/DC應用中，電源轉換效率和節能性能的提高變得越來越重要，滿負載效率在AC/DC電源設計中一直是一項主要考慮因素。現在我們最關心的是，如何在輕負載和空負載時實現更好的節能性能，因為越來越多的電源適配器在待機模式下由電網進行供電。由於在全球此類適配器的數量增長迅速，因此大家正在開發新的節能標準。

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　　這些新標準概括了對電源的要求，以在不同的工作模式下進行更好的能源利用。為了符合這些新的節能要求，準諧振控制和谷值電壓開關(Valley-Voltage Switching)等技術，以及包括跳脈衝(pulse-skipping)在內的多模式工作模式越來越受到行業的關注。其高效性證明了這些技術可以實現AC/DC轉換器從空負載到滿負載模式優化的效率提高和功耗降低。越來越多的綠色模式IC採用了這些技術以控制不同拓撲結構的轉換器。

　　降低待機功耗

　　當前越來越多的AC/DC電源轉換器具有取代真實物理電源開關的待機模式。也就是說，在它們的主要功能不工作的時候，電氣設備仍存在功耗。最常見的待機功耗出現於諸如使用遙控的電視機和視頻設備、無繩電話和無線路由器等具有外部低壓電源的電子設備、複印機和印表機等辦公設備，以及用於膝上型電腦的電池充電器等設備的應用。待機模式下單個轉換器的實際功耗很小，通常是0.3到20W。然而，待機功耗每時每刻都在發生，且此類設備數量眾多，因此全球範圍內的待機功耗是以指數級快速上升的。若將所有功耗匯總起來，則這些很低的功耗數值將相當可觀。據估計，在歐盟待機功耗已經佔了家庭和辦公用電量的10%，在美國大約佔總用電量的4%。

　　為了降低待機功耗並提高整體負載範圍，國際上正在制訂新的標準。其中，美國環保總署(EPA)的「能源之星」是國際認可度最高的標準之一。能源之星包含了廣泛的不斷完善的標準，以實現在空負載和輕負載條件下的節能，在標準工作模式下更高的效率，更少的總諧波失真(THD)以及一致的單位功率因數(PF)。表1就是正在制定的這些標準的其中一個例子，顯示了單一電壓外部AC/DC和AC/AC電源的能源之星標準。

表1：外部AC/DC和AC/AC電源的能源之星標準。

　　新型電源架構和控制技術的提議和制定應符合這些新標準，有源鉗位和復位、轉移模式和交錯式多相PFC、跳脈衝、準諧振控制和谷值電壓開關僅僅是其中的幾個例子。其中，帶準諧振控制或谷值電壓開關和跳脈衝的反激式變換器是最出色的技術解決方案之一。反激式變換器由於其具有結構簡單、成本低廉、器件數量少、易於控制、支持多種輸出電壓軌等優點，而被廣泛應用於消費類電子應用。為了提高效率和節約能源，同樣配置的反激式變換器可用軟開關進行操作，比如準諧振控制。配置有軟開關時，會降低功耗。由於準諧振控制，一次主開關具有低很多的啟動電壓。先前充到開關電容的能源將重新流回電源，從而極大提高效率。相對而言，硬開關的CCM和DCM模式都會有很高的啟動損耗。為在整個負載範圍內更好地降低功耗，反激式變換器可在不同模式下工作，比如頻率返送模式(FFM)和綠色模式，具體的工作模式視不同的負載條件而定。在FFM模式下，開關頻率隨著負載的降低而降低—從而減少開關損耗。當負載很小時(磁滯模式，也稱為綠色模式或猝發工作模式)，使用跳脈衝技術來啟動反激式變換器。跳脈衝減少了開關損耗並在輕負載和空負載時實現了更佳的低功耗模式。對於具有前端PFC預調節器的應用而言，可以在負載很小時關閉PFC工作模式以節約更多的能源。

　　反激式控制IC就是利用這些技術開發的。比如，TI最近推出的UCC28600準諧振綠色模式反激式控制器就是此類IC的一種。它在反激式變換器中的典型配置如圖1所示。下文中我們將進一步討論這些技術是如何提高AC/DC轉換器的效率並優化節能的。

圖1：UCC28600的典型應用。

　　準諧振控制和谷值電壓開關

　　準諧振控制描述的是一款工作在臨界傳導模式下具有零電壓開關(ZVS)或谷值電壓開關(VVS)的反激式變換器。造成ZVS/VVS的是LC諧振，主要來自反向變壓器的初級繞組電感和初級主MOSFET開關(CDS)兩端總的等效電容。MOSFET兩端的電壓在諧振開關過程中降低。反激式控制器檢測到電壓下降並在谷值點啟動一次開關，如圖2所示。

圖2：準諧振控制和谷值電壓開關。


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