提高开关电源待机效率

1、摘要：分分析了开开关电源源待机损损耗的构构成，介介绍了几几种提高高开关电电源待机机效率的的方法。 叙词词：开关关电源，待机效效率，降降频 ，可控脉脉冲模式式 Abbstrractt：Thhe ccompposiing of staandbby ppoweer llosss off swwitcch mmodee poowerr suupplly(SSMPSS) iis aanallyzeed, andd seeverral wayys tto iimprrovee sttanddby effficiienccy oof SSMPSS arre iintrroduucedd. KKeywword

2、d：SMMPS, sttanddby effficiienccy, redduciing freequeencyy, bbursst mmodee 1引言随着着能源效效率和环环保的日日益重要要，人们们对开关关电源待待机效率率期望越越来越高高，客户户要求电电源制造造商提供供的电源源产品能能满足BBLUEE ANNGELL,ENNERGGY SSTARR, EENERRGY 20000等绿绿色能源源标准，而欧盟盟对开关关电源的的要求是是：到220055年，额额定功率率为0.3W15WW，155W550W和和50WW755W的开开关电源源，待机机功耗需需分别小小于0.3W，0.55W和00.755W

3、。而而目前大大多数开开关电源源由额定定负载转转入轻载载和待机机状态时时，电源源效率急急剧下降降,待机机效率不不能满足足要求。这就给给电源设设计工程程师们提提出了新新的挑战战。2开关关电源功功耗分析析要减减小开关关电源待待机损耗耗，提高高待机效效率，首首先要分分析开关关电源损损耗的构构成。以以反激式式电源为为例，其其工作损损耗主要要表现为为：MOOSFEET导通通损耗，MOSSFETT寄生电电容损耗耗，开关关交叠损损耗，PPWM控控制器及及其启动动电阻损损耗，输输出整流流管损耗耗，箝位位保护电电路损耗耗，反馈馈电路损损耗等。其中前前三个损损耗与频频率成正正比关系系，即与与单位时时间内器器件开关关

4、次数成成正比。在待机状状态，主主电路电电流较小小，MOOSFEET导通通时间tton很很小，电电路工作作在DCCM模式式，故相相关的导导通损耗耗，次级级整流管管损耗等等较小，此时损损耗主要要由寄生生电容损损耗和开开关交叠叠损耗和和启动电电阻损耗耗构成。3提高高待机效效率的方方法根据据损耗分分析可知知，切断断启动电电阻，降降低开关关频率，减小开开关次数数可减小小待机损损耗，提提高待机机效率。具体的的方法有有：降低低时钟频频率；由由高频工工作模式式切换至至低频工工作模式式，如准准谐振模模式（QQuassi RResoonannt，QQR）切切换至脉脉宽调制制（Puulsee Wiidthh Moo

5、dullatiion，PWMM）, 脉宽调调制切换换至脉冲冲频率调调制（PPulsse FFreqquenncy Moddulaatioon, PFMM）；可可控脉冲冲模式（Burrst Modde）。3.1 切断启启动电阻阻对于于反激式式电源，启动后后控制芯芯片由辅辅助绕组组供电，启动电电阻上压压降为3300VV左右。设启动动电阻取取值为447k，消耗耗功率将将近2WW。要改改善待机机效率，必须在在启动后后将该电电阻通道道切断。TOPPSWIITCHH，ICCE2DDS022G内部部设有专专门的启启动电路路，可在在启动后后关闭该该电阻。若控制制器没有有专门启启动电路路，也可可在启动动电阻串串

6、接电容容，其启启动后的的损耗可可逐渐下下降至零零。缺点点是电源源不能自自重启，只有断断开输入入电压，使电容容放电后后才能再再次启动动电路。而图11所示的的启动电电路，则则可避免免以上问问题，而而且该电电路功耗耗仅为00.033W。不不过电路路增加了了复杂度度和成本本。图1 UUC38842反反激式电电源启动动电路3.2降低时时钟频率率 时钟钟频率可可平滑下下降或突突降。平平滑下降降就是当当反馈量量超过某某一阈值值，通过过特定模模块，实实现时钟钟频率的的线性下下降。PPOWEER公司司的TOOPSwwitcch-GGX和SSG公司司的SGG68448芯片片内置了了这样的的模块，能根据据负载大大小

7、调节节频率，图2所所示是SSG68848时时钟频率率与其反反馈电流流的关系系。图2SSG68848反反馈电流流与时钟钟频率的的关系突降降实现方方法如图图3：以以UCCC38995为例例，当电电源处于于正常负负载状态态时，QQ1导通通，其时时钟周期期为：当电电源进入入待机状状态时，Q1关关闭，时时钟周期期增大为为即开关频频率减小小。开关关损耗降降为降频频前的（小于11）倍。L59991和和Inffineeon公公司的CCoollSett F22系列已已经集成成了该功功能。3.3 切换工工作模式式 3.3.1 QQRPWMM对于于工作在在高频工工作模式式的开关关电源，在待机机时切换换至低频频工作模

8、模式可减减小待机机损耗。例如，对于准准谐振式式开关电电源（工工作频率率为几百百kHzz到几MMHz），可在在待机时时切换至至低频的的脉宽调调制控制制模式PPWM（几十kkHz）。IRRIS440 xxx芯片就就是通过过QR与与PWMM切换来来提高待待机效率率的。图图4是IIRISS40115构成成的反激激式开关关电源，重载时时，辅助助绕组电电压大，R1分分压大于于0.66V，QQ1导通通，辅助助准谐振振信号经经过D11,D22,R33,C22构成的的延时电电路到达达IRIIS40015的的FB脚脚，内部部比较器器对该信信号进行行比较，电路工工作在准准谐振模模式。当当电源处处于轻载载和待机机时候

9、，辅助绕绕组电压压较小，Q1关关断，谐谐振信号号不能传传输至FFB端，FB电电压小于于芯片内内部的一一个门限限电压，不能触触发准谐谐振模式式，电路路则工作作在更低低频的脉脉宽调制制控制模模式。图4 由由IRIIS40015构构成的QQR/PPWM反反激式电电源电路路3.3.2 PPWMPFMM 对于于额定功功率时工工作在PPWM模模式的开开关电源源，也也可以通通过切换换至PFFM模式式提高待待机效率率，即固固定开通通时间，调节关关断时间间，负载载越低，关断时时间越长长，工作作频率也也越低。图5是是采用NNS公司司的LMM26118控制制的Buuck转转换器电电路和分分别采用用PWMM和PFFM

10、控制制方法的的效率比比较曲线线。由图图可见，在轻载载时采用用PFMM模式的的电源效效率明显显大于采采用PWWM模式式时的效效率，且且负载越越低，PPFM效效率优势势越明显显。将待待机信号号加在其其PW/引脚上，在额定定负载条条件下，该引脚脚为高电电平，电电路工作作在PWWM模式式，当负负载低于于某个阈阈值时，该引脚脚被拉为为低电平平，电路路工作在在PFMM模式。实现PPWM和和PFMM的切换换，也就就提高了了轻载和和待机状状态时的的电源效效率。通过过降低时时钟频率率和切换换工作模模式实现现降低待待机工作作频率，提高待待机效率率，可保保持控制制器一直直在运作作，在整整个负载载范围中中，输出出都能

11、被被妥善的的调节。即使负负载从零零激增至至满负载载的情况况下，能能够快速速反应，反之亦亦然。输输出电压压降和过过冲值都都保持在在允许范范围内。3.4可控脉脉冲模式式（Buurstt Moode）可控控脉冲模模式，也也可称为为跳周期期控制模模式（SSkipp Cyyclee Moode）是指当当处于轻轻载或待待机条件件时，由由周期比比PWMM控制器器时钟周周期大的的信号控控制电路路某一环环节，使使得PWWM的输输出脉冲冲周期性性的有效效或失效效，如图图6所示示。这样样即可实实现恒定定频率下下通过减减小开关关次数，增大占占空比来来提高轻轻载和待待机的效效率。该该信号可可以加在在反馈通通道，PPWM

12、信信号输出出通道，PWMM芯片的的使能引引脚（如如LM226188,L665655）或者者是芯片片内部模模块(如如NCPP12000，FFSD2200，L65565和和TinnySwwitcch系列列芯片)。图6 BBursst MModee控制信信号与驱驱动信号号图NCCP12200的的内部跳跳周期模模块结构构见图77，当反反馈检测测脚FBB的电压压低于11.2VV（该值值可编程程）时，跳周期期比较器器控制QQ触发器器，使输输出关闭闭若干时时钟周期期，也即即跳过若若干个周周期，负负载越轻轻，跳过过的周期期也越多多。为免免音频噪噪音，只只有在峰峰值电流流降至某某个设定定值时，跳周期期模式才才有

13、效。图7 NNCP112000跳周期期模块结结构而FFSD2200则则是通过过控制内内部驱动动器实现现可控脉脉冲模式式，即将将脚的反馈馈电压与与0.66V/00.5VV迟滞比比较器比比较，由由比较结结果控制制门极驱驱动输出出，其结结构可见见图8。我们可可根据此此原理用用分立元元件实现现普通芯芯片的BBursst MModee功能，即检测测次级电电压判断断电源是是否处于于待机状状态，通通过迟滞滞比较器器，控制制芯片输输出，电电路如图图9所示示。控制制反馈通通道是实实现一般般PWMM控制器器的可控控脉冲模模式的方方法之一一。其电电路可见见图100，是 反馈信号号，当BBursst SSignnal为为低电平平时，QQ1关断断，电路正常常工作，当Buurstt Siignaal为低低电平时时，Q11导通，R1被被短路，流过Q11，被拉高至至 -0.66V，反反馈信号号 不能反映映在 上，控制制器因此此输出低低电平。另外外对于有有使能脚脚的PWWM控制制器，如如L65565等等，用可可控脉冲冲信号控控制使能能脚使控控制芯片片有效或或失效，也可以以实现BBursst MModee，上述述Burrst Siggnall可由图图1中所所示的迟迟滞比较较器产生生。图10 控制反反馈通道道的Buurstt Moode4存在在的问题题以上上介绍的的降频和和Burrst Modde方