机械工程师论文发表范文开关电源功耗分析

　　摘要：功耗值得是功率的损耗，指设备、器件等输入功率和输出功率的差额。功率的损耗。电路中通常指元、器件上耗散的热能。有时也指整机或设备所需的电源功率。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。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。本文简要介绍提高开关电源待机效率的方法。文章发表在《中国机械》上，是机械工程师论文发表范文，供同行参考。

　　关键词：损耗开关 电源效率 构成

　　功耗同样是所有的电器设备都有的一个指标，指的是在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为W。不过复印机和电灯不同，是不会始终在工作的，在不工作时则处于待机状态，同样也会消耗一定的能量(除非切断电源才会不消耗能量)。因此复印机的功耗一般会有两个，一个是工作时的功耗，另一个则是待机时的功耗。

　　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。

　　2001年，欧盟要求额定输出功率0.3W~70W的无负载功率损耗均为1W;2005年，欧盟将该标准变为额定输出功率0.3W~50W的无负载功率损耗为0.3W、额定输出功率15W~70W的无负载功率损耗为0.75W。由此可以看出，大家对电器产品功耗方面的要求正日益严格。为了符合欧盟等组织针对产品功耗而制定的种种规范，很多新技术应运而生，主要思想是让开关电源在负载很小或空载处于待机状态时能够以较低开关频率操作。

　　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)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。

　　(二)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。

　　TI公司提供的UCC28600电源方案，在30%~100%输出功率段，采用准谐振零电压和固定频率不连续模式相结合的电源控制方式，以及高达1A的驱动能力，使得反激式电源的开关损耗大为降低，整机工作效率达到85%以上;在10%~30%输出功率段，采用固定峰值电流的关断时间调制模式的电源控制方式，使得电源的动态负载响应和低功率段的转换效率都得到极大的改善;同时在大约10%输出功率段采用跳脉冲的待机控制模式，使得待机功耗低至150毫瓦特。

　　(三)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。

　　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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