AC/DC电源的性能和国际能效标准

        随着国际电源能效标准的限制日趋严格，电源控制器的性价比已逼近它们的极限。既要满足这些新标准的要求，同时又要提升性能和降低成本，这种挑战已迫使市场转向一些新的颠覆性技术。新的设计技术现在能够让AC/DC转换器在不牺牲其性能（尤其是负载瞬态响应时间）的情况下，满足严格的DC能效要求。本文将探讨这些新的电源能效标准对电源控制器提出的要求，在维持输出质量、以及不增加成本和复杂性的情况下提升性能的最新设计技术。
国际电源能效标准
美国能源部（DoE）于2007年颁布的外部电源能效标准对空载功耗以及负载为额定负载电流25%至100%时的平均能效提出了一整套严格的要求。欧盟和全球其它国家也颁布了类似的标准，但DoE的标准是最严格的强制性标准。2014年2月，DoE更新了外部电源标准后，进一步严格规范了离线电源的能效和空载功耗。通过限制电源的最大空载功耗，该标准迫使电源制造商降低电源空载时来自市电的输入电流。虽然在待机时限制控制电路的电流能够节省电能，但它也影响了电源从空载迅速过渡到满载的能力，而在这个永远在线的消费电子世界中，这个特性一直被我们视为是理所当然的。
负载瞬态响应时间 – 大信号响应时间和工作电流
负载瞬态响应时间直接影响输出电压的质量；较快的响应速度有助于减少输出电压偏差，而且不必使用多余的输出电容器；较慢的响应速度则反之。使用低功耗控制器时，响应速度通常较慢，从而迫使电源不得不依赖外部组件来响应输出电流的变化。负载瞬态响应时间实际上是控制环路的大信号响应时间，整合了小信号稳定性和一些大信号因素，例如，控制电路能够迅速转换放大器和驱动器的输出。如果器件的转换速率较低，而且小信号带宽也较窄，输出响应负载变化的速度也较慢。  
电子器件中的一些基本关系是通用的，虽然这不一定是绝对的。例如，工作电流很小的运算放大器或对比器转换输出的速度与工作电流较大的器件一样快。随着电流的下降，传播时延也会增加，因为用于降低电流的各个级联输入级将增加信号穿过电路的时间。对于AC/DC转换器，输出变压器的反射阻抗所产生的复杂性以及寄生电感的特性增加了分析大信号响应时间的复杂性。通过关注控制器自身能够做什么，而不去考虑主动无源组件的改变，我们就能有最大程度的电源性能提升，并降低工作电流。
负载瞬态响应时间分析
当任何电源的输出电流发生变化时，多个因素将影响电源输出响应负载变化的速度和精度。通过将电源视作一个黑盒子－非理想电源，我们可以分析出是哪些因素决定了响应时间。

图1显示了一个常见的负载变化以及其输出如何响应这个变化。假設这个模型为一黑盒子，其输出电路是一个黑盒子电源，配有一个使用等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和额定容量建模的输出电容器。根据输出电流的转换速率以及输出电容的ESR和ESL，由于电流的瞬时增加导致输出电压迅速下降。电压瞬时下降的原因是输出电容的ESR，而这个初始尖峰的恢复特性则取决于ESL。  


图1  瞬态响应时间分析

合理选择ESR和ESL较低的旁路电容能够将这个初始尖峰趋近于零。一旦输出电容开始向输出端提供电流，电压将根据输出电流和输出总电容下降(dV = (I/C)*dt)。输出电压的下降幅度完全取决于电源响应变化并开始向输出电容器和负载提供电流的时间(dt)。一旦开始向输出端提供电流，输出电容将充至标称输出电压，并提供一个较小的输出偏移量。这个输出偏移量通常被称为负载调整率，而且通常取决于控制环路的增益特性。系统中的增益越大，对负载的电压输出精度就越高。
反激式转换器中所使用的控制器可以是模拟或数字控制器。这两种技术均用于完成相同的功能，但所采用的方法截然不同。模拟控制器使用模拟放大器监测来自输出端的反馈，以便生成一个误差信号，然后将其与一个参考信号进行对比，并对输出级进行调制，以使输出电压返回到调节状态。数字电路将模拟反馈信号转换为数字形式，然后将该字与一个已设定的对比点进行对比，再使用比例-积分-微分（PID）过滤器对输出进行调制，以调节输出电压。从黑盒子的角度而言，它们完成了相同的功能，但黑盒子内部却是两个截然不同的世界。


       

模拟控制器
采用模拟技术的电源控制器已问世数十年。作为一种广为熟悉的技术，模拟控制器的优缺点已经被探讨了很长一段时间。作为任何模拟控制器的核心（图2），传统的误差放大器的性能取决于偏置电流。虽然的确存在能够以很小的偏置电流实现较高性能的技术，但却要牺牲硅片空间，而这是一个昂贵的代价。但是，一旦你为了遵从严格的最新能效标准而限制了这些模拟控制器的电流，它们的响应时间将会大幅延长。回顾上述的输出负载瞬态响应时间分析以及控制环路的响应时间对输出电压质量的影响，我们可以清楚地看到，环路越快，输出电压的完整性就越高。


图2  通用模拟控制器

数字控制器
数字控制器的功能与模拟控制器相同，但黑盒子里面的某些内容却完全不同。一个典型的数字电源控制器由一个PID过滤器、数字参考、数字脉冲宽度调制（PWM）生成器和输出驱动器构成（图3）。它将反馈信号转换为一数字列，然后将该字列与数字参考点进行对比，再使用PID过滤器决定数字化的PWM电路将向主电源设备输出。一个标准的基于PID的数字控制器对复杂变化响应较慢，除非它使用速度极高的ADC和时钟频率极高的数字内核。在负载总是较大的大电流应用中，这种方法是可行的，可以实现很快的响应速度，但在轻载情况下，与模拟控制器类似，简单的数字控制器也会无法满足较高性能。
图3 通用数字控制器



一个标准的模拟控制器相较于数字控制器，这两个端点电路之间没有理由存在重大的性能差距。但是，数字设计已经发展到这样的程度：可以为控制器设计增添一些模拟控制器难以实现的自由度。与数字PID主控模块并联的额外的模拟或数字电路更可大幅提升电路的性能。单纯的模拟控制器很难实现这一点，因为额外的控制电路会严重破坏频率补偿。在模拟控制器中，一个控制环路本本已很难稳定，多个并联运行的环路需要极为复杂的补偿机制，而为了实现稳定，这通常又会导致不可接受的权衡。不论在DC/DC控制器或AC/DC控制器中，都存在相同的问题。


       
快速动态负载响应所产生的影响
具备快速动态负载响应功能的电源不仅在维持最终应用所需的电压稳定性、规格和性能方面拥有明显优势，而且还能减少维持输出电压所需的大容量电容，从而缩减电路的规模和成本。在要求高性能和低成本、同时要求遵从国际能效标准的典型应用就是用于为智能手机充电的USB兼容输出、並通用于离线输入电压适配器。针对使用USB连接器的电池充电器的USB BC1.2规范定义了一个恒定的DC输出电压在通用AC输入电压范围下运作，以确保使用遵从USB BC1.2规范的适配器的智能手机能够正常工作。该规范还定义了一个恢复时间，即输出从标称的电压降至最低的电压，然后再恢复的时间。输出必须在指定的时间和DC容差内恢复。

表1列出了需要遵从USB BC1.2的规范的规格。响应时间和电压似乎容易实现，尤其相对DC/DC转换器而言，但AC/DC电源必须遵从DoE规范，而这是一个极大的挑战。  


表1.  USB电池充电规范Rev 1.2电压容差

Dialog电源转换事业群（前iWatt Inc.）出品的iW1760遵从USB BC1.2规范，同时遵从DoE于2014年2月颁布的最新的能效标准以及欧盟颁布的最严格的能效标准“Code of Conduct Version 5, Tier 2”。图4 显示了iW1760在一个10W USB充电应用中的响应时间：输出在6ms内响应了一个2A负载变化，并将输出电压保持在USB BC1.2 AC所要求的范围内，并留出了一些余量。  


图 4.  iW1760 – 负载瞬态响应时间图

一个响应速度更快的部件能够以更少的电容实现更短的响应时间，同时满足能效标准的要求。iW1786是一款数字控制器，能够与次级侧的一个用于检测输出电压变化并向初级侧发送即时反馈的组件（iW671）配合使用，实现快于独立的初级侧反馈的输出。更短的响应时间和更小的电压降为适配器的设计增加了很大的设计余量。另外，设计人员还可以减少用于在过渡期间维持输出电压所需的大容量电容量。初次审视这个增加一个次级侧IC的想法可能看起来像是一次中立性的尺寸和成本权衡，但是，iW671为二级侧内置了一个同步整流电路，从而消除了Schottky二极管，提高了能效。更短的响应时间降低了输出电容，提高了能效，降低了散热要求，并消除了二级侧的一些组件，提供了一个高集成的解决方案。
图5 显示了iW1786+iW671 （对比IC）的瞬态响应时间，它比iW1760的原始响应时间有了明显的改进。动态负载响应时间大幅缩短，从而为遵从USB BC1.2充电规范流留出了很大余量(1)。
图5中的最小AC电压为4.8V，提供了200mV的电压跌落，而图4中的电压跌落为700mV。图5中的响应时间约为3ms，大约为图4中的一半。这改进了跌落的速度，甚至不到图4中的一半。  


图5  iW1786+iW671的负载瞬态响应时间图

iW1786采用一个复杂、並有多个控制环路的专有数字内核。iW1786控制器中所使用的新一代的数字控制环路具备响应速度快、外部组件少、无需外部补偿组件也能维持多个控制环路的稳定性的特点。模拟电路的或许够实现同类电路，但最终却带来了更大的电路尺寸、更高的成本和更困难补偿。
数字技术正在将掀开一个新的电源设计时代，甚至能为那些不精通电源的设计工程师提供灵活、易用的解决方案。数字电源管理技术领域的进步让快速响应成为可能，并让消费电子应用的电源适配器能够在不牺牲性能的情况下，满足国际能效规定。

注
(1)用于测试这两种不同器件的电路是相同的，采用相同的磁性和无源组件。唯一的区别是用于生成图4和图5中的两个波形的被测器件（DUT）。