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专业辅导:开关电源功耗分析

来源:233网校 2008-07-09 08:30:00

二建《建筑工程》的考题特点:全面、灵活、实操性强。需要对考点有足够掌握,且运用自如的同时,还需现场实践经验做支撑,才能漂亮的拿下建筑实务这门专业。

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  一、引言

  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,而欧盟对开关电源的要求是:到2005年,额定功率为0.3w~15w,15w~50w和50w~75w的开关电源,待机功耗需分别小于0.3w,0.5w和0.75w.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

  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)切换至脉宽调制(pulsewidthmodulation,pwm),脉宽调制切换至脉冲频率调制(pulsefrequencymodulation,pfm);可控脉冲模式(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。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。power公司的topswitch-gx和sg公司的sg6848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)。

  iris40xx芯片就是通过qr与pwm切换来提高待机效率的。当电源处于轻载和待机时候,辅助绕组电压较小,q1关断,谐振信号不能传输至fb端,fb电压小于芯片内部的一个门限电压,不能触发准谐振模式,电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。

建筑实务技术部分多以选择题为主,需要注意对于各种数据的考查;管理部分以案例题为主,旨在考查学员的综合能力,是考试的分值大户。进度控制的网络图和流水施工每年必考其一,必须完全掌握;质量管理主要结合技术部分命题;安全管理和合同管理尤为重要,考查最为灵活,与质量、进度、成本等均可结合命题;此外,加大了建筑施工相关法规与标准的考查力度,并结合管理部分综合命题。考查维度愈加偏重理论与工程现场实际相结合的综合考查形式。

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  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。图5是采用ns公司的lm2618控制的buck转换器电路和分别采用pwm和pfm控制方法的效率比较曲线。由图可见,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,如图6所示。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(如lm2618,l6565)或者是芯片内部模块(如ncp1200,fsd200,l6565和tinyswitch系列芯片)。

  ncp1200的内部跳周期模块结构见图7,当反馈检测脚fb的电压低于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fsd200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,由比较结果控制门极驱动输出。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的方法之一。

  另外对于有使能脚的pwm控制器,如l6565等,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burstmode,上述burstsignal可由图1中所示的迟滞比较器产生。

  四、存在的问题

  以上介绍的降频和burstmode方法在提高待机效率的同时,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。因此必须综合考虑。

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