详解最大化从满负载到空负载时的AC/DC效率

虽然在AC/DC电源设计中最大化满负载时的电源效率是一个优先考虑的因素，但是待机功耗标准以及新型电源效率标准也隐现出了更多的考虑因素。因此， 除了“高效”这个一般性课题以外，设计人员还正在努力寻找其他方法来最大化端到端的节能。事实上，对于采用 AC 电源适配器的设计来说，节约几毫瓦的功耗是一个特别令人关注的问题，这一问题正在全球引起广泛关注。

准谐振控制、谷值电压转换以及多模运行(即脉冲跳跃模式)都可提供一种解决方案。在本文中，我们将对当今绿色环保型IC控制器中所采用的一些技术进行总结，以最小化转换器整个负载范围内的能源损耗。

限制待机功耗

在包括了智能电子产品和“快速”响应在内的设计思路中，当今的AC/DC电源转换器通常会在待机模式上耗费大量的时间，而且总是存在某种电源漏极。无论我们讨论的是遥控电视机、视频设备、无绳电话或无线路由器的外部低压电源、办公设备(复印机和打印机)还是诸如笔记本电脑的电池充电器，基本上来说这都是同一个问题。各个转换器在待机模式下的实际功耗都是非常低的，通常为 0.3W 到 20W。但是无论待机功耗有多低，如果你将其与所使用的消费类电子工业产品、商业和工业系统的数量相乘以后得到的合计功耗就变的非常大了。

事际上，待机功耗所用的电力在欧盟国家的家庭和办公用电中占到了大约10%，而在美国，待机功耗所用的电力则为总用电量的 4% 左右。诸如能源之星的开发标准主要关注空负载和轻负载时的能源节约、正常运行时的更高效率、更低的总谐波失真 (THD) 并接近单位功率因数 (PF)。上表对外部单电压AC/DC和AC/AC电源的能源之星标准作了总结。

满足标准要求

系统设计人员如何才能满足能源之星和其他正在开发的国际标准呢?他们先后采用了有源钳位和复位技术、转移模式和交错式多相 PFC 技术、脉冲跳跃技术、准谐振控制技术以及谷值电压转换技术。采用准谐振控制、谷值电压转换以及脉冲跳跃技术的反向转换器就是其中的一种最佳的解决方案。

表：外部AC/DC与AC/AC电源的能源之星标准

广泛用于消费类电子应用的反向转换器不但成本较低、易于控制，而且还可支持多个输出电压轨(请参见图 1，在此应用中采用了 UCC28600 准谐振芯片)。准谐振控制让软开关的使用变得更轻松，这样不但提高了效率而且节约了能源。 在准谐振运行中，次侧主开关具有非常低的开启电压，当其处于关闭状态时，电源就会再次产生可以为开关电容充电的能源。

图 1、准谐振反向控制器的典型结构

相反，硬开关拓扑结构中连续和非连续电流模式(CCM 和 DCM)运行的开启损耗非常高。为了在整个负载范围内都实现较好的能源节约的目的，根据负载条件的不同，反向转换器既可以在频率返送 (FFM) 模式下运行，也可以在脉冲跳跃模式下运行。当负载降低时，FFM 电路便立即返回到开关频率下工作，从而降低开关损耗;当负载变得非常轻时，磁滞模式(也称为绿色模式或突发模式)便开始工作以启动脉冲跳跃。脉冲跳跃不但可以降低轻负载和空负载时的开关损耗，而且还可以实现更好的节能效果。

对于具有前端 PFC 预调节器的应用而言，在非常轻的负载时，关闭PFC运行可节约更多的能源。

电路

准谐振控制是对运行在临界导电模式(CrCM)下采用零电压开关(ZVS)或谷值开关(VVS)技术的反向转换器的描述。ZVS/VVS运行是由反向变压器一次侧绕组电感和一次侧主MOSFET开关(CDS)的总等效电容形成的LC谐振引起的。在谐振开关切换过程中，MOSFET 两端的电压会下降。反向转换器检测到该下降并在谷值点开启一次侧开关。谷值电压开关必须满足两个条件，第一个条件是：Vin≤ N (Vout + VD )

其中，N为变压器匝比。在这种条件下，二次侧反射电压 (reflected secondary voltage) 非常高，足以促使一次侧VDS电压变为0。因此，0V电压就可以将一次侧MOSFET开关开启;第二个条件是：Vin > N(Vout + VD )，在此条件下，二次侧反射电压不能将VDS电压转为 0V。相反，我们得到了一个“电压谷值”。图 2 显示了准谐振反向转换器的典型VVS运行。如果满足了第一个公式的条件，那么谷值电压就会被扩展到0V。于是，我们就实现了0电压开关。

图 2、准谐振控制与谷值电压开关

ZVS/VVS不仅大大节约了能源，而且还提高了效率。对于一个给定的电容而言，开关电源Psw由电容器两端的电压CDS以及开关频率fs决定：Psw = 0.5 CDS VDS2 fs，采用硬转换的反向转换器将在高电压时开启开关，从而获得高压开关电源。在下一个开关周期中，储存在电容器CDS中