在各种负载条件下保持高效率的电源控制器

过去数十年中，传统的模拟和脉宽调制（PWM）功率转换器完全能满足电源设计的要求，但近来似乎遇到了困难。为了使转换效率那怕提高1％，也需要在拓扑结构、相关元器件和电路设计等方面做出重大改进。在系统和市场需求不断推陈出新的压力下，电源设计师们开始寻求一种能在各种工频和负载条件下都更灵活、更可靠且性能更出色的产品，当然希望能在不增加成本的前提下，获得这一切。
　　
利用半导体先锋iWattInc公司研发的数字技术，一种新型的功率转换控制器不仅能做到这些，而且使电源具有了前所未有的灵活性和可编程能力，这是传统PWM和其它模拟方法所无法实现的。这些控制器能显著改善AC/DC和DC/DC功率转换方案的整机成本和性能，包括隔离和直接耦合转换器。
　　
iWattInc公司开发了一种名为“pulse Train”的专利稳压技术。应用这一新技术，iWatt公司推出了一系列新的数字化开关电源（SMPS）控制器。iWatt公司希望这些新产品能克服老式技术的各种缺点，为电源设计数字化铺平道路。
　　
测试表明，对于带有源功率因数校正（PFC）电路的60W单级单开关AC/DC转换器，在85～265V整个工频电压范围内，新的数字化控制器在各种负载条件下的效率高达80％至89％。如图1所示。此数字化控制器具有无需光耦器件；只用初级反馈进行控制而无需反馈电路补偿；以及能适应任何拓扑结构的电源等优点。



图1 电源效率
　　
采用PWM控制器的电源在轻负载时效率和稳定性通常将明显降低。pulse Train技术由于无需昂贵的光耦器件和相关元器件，使得电源更便宜、更轻便。与模拟产品不同，这种数字方案还为250W以下的AC/DC应用提供了内建的有源PFC特性。
　　
pulse Train技术的特点是采用了一对脉冲发生器（一个功率脉冲发生器和一个检测脉冲发生器）。此方案中，功率脉冲用于变压器至负载的能量传递，而检测脉冲用于监测负载电压，优化程序用于设定脉冲的开通和关断时间。脉冲比控制器（PRC）利用初级反馈，通过逐脉冲选通固定宽度和固定周期的功率脉冲来实现稳压。如图2所示。



图2 脉冲比控制（PRC）示意图

iWatt首席技术官Mark Telefus解释道，在传统的模拟PWM或脉冲频率调制（PFM）转换器中，每个功率脉冲的大小是根据能使输出电压正好符合目标来决定的。与此不同，pulseTrain转换器的工作更象是数字化“开关式”伺服系统。pulse Train每个周期对二进制误差信号取样，来确定是否发出功率脉冲，使输出电压朝目标方向变动。因此，输出电压被限定在目标电压附近很窄的范围内。对各种实际应用而言，它比传统模拟稳压器的纹波更小。
　　
从本质上讲，数字化pulse Train是通过发出或封锁功率脉冲来控制输出电压的。例如，输出电压低于设定电平时，脉冲发生器就会连续发出功率脉冲，直到达到所需电平。同样地，如果输出电压高于所需的电平，它就发出检测脉冲而不是功率脉冲。检测脉冲的开通时间比功率脉冲短得多，传递的能量也少得多。如图3所示。



图3 功率脉冲控制输出电压
　　
有趣的是，此技术还能从稳压过程中分离脉冲形状。这样，我们就可以独立设置开通和关断时间，来实现各种系统优化。关断时间可设置为确保当在次级电流降为零时，反激式转换器中的开关才开通。另一方面，开通时间可设置为确保峰值初级电流保持恒定。总之，这些优化会使电源转换器在整个工频电压和负载范围内产生更高效的响应。
　　
iWatt公司针对各种不同AC/DC和DC/DC转换应用，开发出了三种实现pulse Train技术的芯片，并在其中集成了其它一些功能，如控制逻辑、波形分析仪、多路复用器、稳压器及驱动器等。iW2101是隔离DC/DC控制器芯片，iW2201为AC/DC控制器芯片，iW2202为内带有源PFC电路的单片式AC/DC控制器。
　　
与使用复杂电路和普通PWM控制器的其它PFC方案不同，iW2202的PFC和稳压都由单级单开关拓扑结构中的初级反馈提供。如图4所示。在相同应用中，其它PFC方案都会使大电容两端电压超过1000V，而iW2202方案不超过400V。这不仅能降低元器件的应力，提高可靠性，并能以更低成本实现更高性能的系统。



图4 典型应用电路
　　
测量结果表明，120V交流输入时，使用iW2202的单级有源PFC转换器的PF可达0.98，并提供输出电流3.0A的19.0V直流输出。高效率和高功率因数的组合，使设计能满足EN61000-3-2规定的谐波失真指标和BlueAngel规定的空载功耗标准。
　　
在整个工频电压和负载变化的范围内该设计不仅使输出调整率小于±1％，而且其动态响应比传统电路快近5倍。iW2202适用于AC85～270V、50～60Hz的通用工频电压。
　　
iWatt公司正在致力于将其新技术延伸到可编程开关稳压器（PSR）中。iWatt公司正在研发的多路输出PSR能综合各种功率转换和管理功能，而适用于向PDA、数码相机和其它手持产品等移动设备供电。此外，它还能与系统内的主机处理器对话。
　　
iWatt公司采用0.6μm CMOS工艺完成的首批三种集成数字化SMPS控制器样品，包括iW2101隔离DC/DC控制器、iW2201AC/DC控制器以及带PFC的AC/DC控制器iW2202。这三种器件均采用8引脚小型IC封装。iW2202于2002年1月投产，其它两种有望随后开始批量生产。