开关电源功耗分析和提高待机效率的方法
1、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blue angel,energy star, energy 2000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。
2、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。
3、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(quasi resonant，qr)切换至脉宽调制(pulse width modulation，pwm), 脉宽调制切换至脉冲频率调制(pulse frequency modulation, pfm);可控脉冲模式(burst mode)。
3.1 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。而图1所示的启动电路，则可避免以上问题，而且该电路功耗仅为0.03w。不过电路增加了复杂度和成本。
图1 uc3842反激式电源启动电路
3.2 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，图2所示是sg6848时钟频率与其反馈电流的关系。
图2sg6848反馈电流与时钟频率的关系
突降实现方法如图3：以ucc3895为例，当电源处于正常负载状态时，q1导通，其时钟周期为：
当电源进入待机状态时，q1关闭，时钟周期增大为
即开关频率减小。开关损耗降为降频前的
(小于1)倍。l5991和infineon公司的coolset f2系列已经集成了该功能。
3.3 切换工作模式
3.3.1 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。图4是iris4015构成的反激式开关电源，重载时，辅助绕组电压大，r1分压大于0.6v，q1导通，辅助准谐振信号经过d1,d2,r3,c2构成的延时电路到达iris4015的fb脚，内部比较器对该信号进行比较，电路工作在准谐振模式。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。
图4 由iris4015构成的qr/pwm反激式电源电路
3.3.2 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。
3.4可控脉冲模式(burst mode)
可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式(skip cycle mode)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。
图7 ncp1200跳周期模块结构
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，其结构可见图8。我们可根据此原理用分立元件实现普通芯片的burst mode功能，即检测次级电压判断电源是否处于待机状态，通过迟滞比较器，控制芯片输出，电路如图9所示。
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。其电路可见图10，
是
反馈信号，当burst signal为低电平时，q1关断，
电路正常工作，当burst signal为低电平时，q1导通，r1被短路，
流过q1
被拉高至
-0.6v，反馈信号
不能反映在
上，控制器因此输出低电平。
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burst mode，上述burst signal可由图1中所示的迟滞比较器产生。
图10 控制反馈通道的burst mode
4 存在的问题 以上介绍的降频和burst mode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burst mode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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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。
3、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(quasi resonant，qr)切换至脉宽调制(pulse width modulation，pwm), 脉宽调制切换至脉冲频率调制(pulse frequency modulation, pfm);可控脉冲模式(burst mode)。
3.1 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。而图1所示的启动电路，则可避免以上问题，而且该电路功耗仅为0.03w。不过电路增加了复杂度和成本。
图1 uc3842反激式电源启动电路
3.2 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，图2所示是sg6848时钟频率与其反馈电流的关系。
图2sg6848反馈电流与时钟频率的关系
突降实现方法如图3：以ucc3895为例，当电源处于正常负载状态时，q1导通，其时钟周期为：
当电源进入待机状态时，q1关闭，时钟周期增大为
即开关频率减小。开关损耗降为降频前的
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3.3 切换工作模式
3.3.1 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。图4是iris4015构成的反激式开关电源，重载时，辅助绕组电压大，r1分压大于0.6v，q1导通，辅助准谐振信号经过d1,d2,r3,c2构成的延时电路到达iris4015的fb脚，内部比较器对该信号进行比较，电路工作在准谐振模式。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。
图4 由iris4015构成的qr/pwm反激式电源电路
3.3.2 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。
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是
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图10 控制反馈通道的burst mode
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