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開關(guān)電源功耗分析

一、引言

隨著能源效率和環(huán)保的日益重要，人們對(duì)開關(guān)電源待機(jī)效率期望越來越高，客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUEANGEL，ENERGYSTAR，ENERGY2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟對(duì)開關(guān)電源的要求是：到2005年，額定功率為0.3W～15W，15W～50W和50W～75W的開關(guān)電源，待機(jī)功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W.而目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電源效率急劇下降，待機(jī)效率不能滿足要求。這就給電源設(shè)計(jì)工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

二、開關(guān)電源功耗分析

要減小開關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率，首先要分析開關(guān)電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例，其工作損耗主要表現(xiàn)為：MOSFET導(dǎo)通損耗，MOSFET寄生電容損耗，開關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動(dòng)電阻損耗，輸出整流管損耗，箝位保護(hù)電路損耗，反饋電路損耗等。其中前三個(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)成正比。在待機(jī)狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導(dǎo)通時(shí)間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導(dǎo)通損耗，次級(jí)整流管損耗等較小，此時(shí)損耗主要由寄生電容損耗和開關(guān)交疊損耗和啟動(dòng)電阻損耗構(gòu)成。

三、提高待機(jī)效率的方法

根據(jù)損耗分析可知，切斷啟動(dòng)電阻，降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率。具體的方法有：降低時(shí)鐘頻率;由高頻工作模式切換至低頻工作模式，如準(zhǔn)諧振模式(QuasiResonant，QR)切換至脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation，PWM)，脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation，PFM);可控脈沖模式(BurstMode)。

(一)切斷啟動(dòng)電阻

對(duì)于反激式電源，啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動(dòng)電阻取值為47kΩ，消耗功率將近2W.要改善待機(jī)效率，必須在啟動(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH，ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專門的啟動(dòng)電路，可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒有專門啟動(dòng)電路，也可在啟動(dòng)電阻串接電容，其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟，只有斷開輸入電壓，使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。

(二)降低時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內(nèi)置了這樣的模塊，能根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)頻率。

(三)切換工作模式

1.QR→PWM對(duì)于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源，在待機(jī)時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如，對(duì)于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz)，可在待機(jī)時(shí)切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM(幾十kHz)。

IRIS40xx芯片就是通過QR與PWM切換來提高待機(jī)效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時(shí)候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號(hào)不能傳輸至FB端，F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個(gè)門限電壓，不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式，電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。

2.PWM→PFM

對(duì)于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開關(guān)電源，也可以通過切換至PFM模式提高待機(jī)效率，即固定開通時(shí)間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，負(fù)載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，工作頻率也越低。圖5是采用NS公司的LM2618控制的Buck轉(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。由圖可見，在輕載時(shí)采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時(shí)的效率，且負(fù)載越低，PFM效率優(yōu)勢(shì)越明顯。將待機(jī)信號(hào)加在其PW/引腳上，在額定負(fù)載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。

通過降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率，提高待機(jī)效率，可保持控制器一直在運(yùn)作，在整個(gè)負(fù)載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下，能夠快速反應(yīng)，反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

(四)可控脈沖模式(BurstMode)

可控脈沖模式，也可稱為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)條件時(shí)，由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號(hào)控制電路某一環(huán)節(jié)，使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效，如圖6所示。這樣即可實(shí)現(xiàn)恒定頻率下通過減小開關(guān)次數(shù)，增大占空比來提高輕載和待機(jī)的效率。該信號(hào)可以加在反饋通道，PWM信號(hào)輸出通道，PWM芯片的使能引腳(如LM2618，L6565)或者是芯片內(nèi)部模塊(如NCP1200，F(xiàn)SD200，L6565和TinySwitch系列芯片)。

NCP1200的內(nèi)部跳周期模塊結(jié)構(gòu)見圖7，當(dāng)反饋檢測(cè)腳FB的電壓低于1.2V(該值可編程)時(shí)，跳周期比較器控制Q觸發(fā)器，使輸出關(guān)閉若干時(shí)鐘周期，也即跳過若干個(gè)周期，負(fù)載越輕，跳過的周期也越多。為免音頻噪音，只有在峰值電流降至某個(gè)設(shè)定值時(shí)，跳周期模式才有效。

而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)可控脈沖模式，即將腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較，由比較結(jié)果控制門極驅(qū)動(dòng)輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實(shí)現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能。控制反饋通道是實(shí)現(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

另外對(duì)于有使能腳的PWM控制器，如L6565等，用可控脈沖信號(hào)控制使能腳使控制芯片有效或失效，也可以實(shí)現(xiàn)BurstMode，上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。

四、存在的問題

以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機(jī)效率的同時(shí)，也帶來一些問題，首先是頻率降低導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加，其次如果頻率降至20kHz以內(nèi)，可能有音頻噪音。而在BurstMode的OFF時(shí)期內(nèi)，如果負(fù)載激增，輸出電壓會(huì)大大降低，如果輸出電容不夠大，電壓甚至可能降低至零。如果增大輸出電容，以減小輸出電壓紋波，則會(huì)導(dǎo)致成本增加，并會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此必須綜合考慮。

1、前言

電網(wǎng)的損耗分為管理線損和技術(shù)線損。管理線損通過管理和組織上的措施來降低;技術(shù)線損通過各種技術(shù)措施來降低。降低網(wǎng)損的技術(shù)措施包括需要增加一定投資對(duì)電力網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造的措施和不需要增加投資僅需改善電網(wǎng)運(yùn)行方式的措施。本文僅討論降低網(wǎng)損的主要技術(shù)措施。

2、電力網(wǎng)的改造

由于各種原因電網(wǎng)送變電容量不足，出現(xiàn)“卡脖子”、供電半徑過長(zhǎng)等。這些問題不但影響了供電的安全和質(zhì)量，而且也影響著線損。

(1)調(diào)整不合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，架設(shè)新的輸配電線路，改造原有線路，加大導(dǎo)線截面，采用低損耗變壓器。

(2)電網(wǎng)升壓，簡(jiǎn)化電壓等級(jí)和變壓層次，減少重復(fù)的變電容量。

3、電力網(wǎng)及設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

3.1電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行主要是確定機(jī)組的最佳組合和經(jīng)濟(jì)地分配負(fù)荷。這時(shí)考慮的是全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，線損不是決定性的因素。因此，在系統(tǒng)有功負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配的前提下，做到電力網(wǎng)及其設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是降低線損的有效措施。

(1)無功功率的合理分布：

在有功功率合理分配的同時(shí)，應(yīng)做到無功功率的合理分布。按照就近的原則安排減少無功遠(yuǎn)距離輸送。應(yīng)對(duì)各種方式進(jìn)行線損計(jì)算制定合理的運(yùn)行方式;應(yīng)當(dāng)合理調(diào)整和利用補(bǔ)償設(shè)備提高功率因數(shù)。

(2)確定環(huán)網(wǎng)的合理運(yùn)行方式：

是合環(huán)運(yùn)行還是開環(huán)運(yùn)行，以及在哪一點(diǎn)開環(huán)都是與電網(wǎng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)性有關(guān)的問題。從增強(qiáng)供電可靠性和提高供電經(jīng)濟(jì)性出發(fā)應(yīng)當(dāng)合環(huán)運(yùn)行，但是合環(huán)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)復(fù)雜化，從而使可靠性又受影響。開環(huán)運(yùn)行應(yīng)根據(jù)網(wǎng)損計(jì)算結(jié)果選擇最佳解列點(diǎn)。

(3)電力網(wǎng)的合理運(yùn)行電壓：

電力網(wǎng)的運(yùn)行電壓對(duì)電力網(wǎng)中元件的空載損耗均有影響。一般在35kV及以上供電網(wǎng)絡(luò)中，提高運(yùn)行電壓1%，可降損1.2%左右。提高電網(wǎng)電壓水平，主要是搞好全網(wǎng)的無功平衡工作，其中包括提高發(fā)電機(jī)端口電壓，提高用戶功率因數(shù)，采用無功補(bǔ)償裝置等。在無功平衡的前提下調(diào)整變壓器的分接頭。

在10kV配電網(wǎng)中，由于空載損耗約占總損耗的50%～80%，特別是在深夜時(shí)，因負(fù)荷低，則空載損耗的比例更大，所以應(yīng)根據(jù)用戶對(duì)電壓偏移的要求，適當(dāng)降低電壓運(yùn)行。

對(duì)于低壓電網(wǎng)其空載損耗很少，宜提高運(yùn)行電壓。

由此可見，在電網(wǎng)運(yùn)行中，大量采用有載調(diào)壓設(shè)備可以在不同的負(fù)荷情況下合理地調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行電壓。

(4)調(diào)整負(fù)荷曲線、平衡三相負(fù)荷：

負(fù)荷峰谷差大，在供電量相同的情況下線損大。變壓器的三相負(fù)荷不平衡時(shí)，特別是低壓網(wǎng)絡(luò)，既影響變壓器的安全運(yùn)行又增加了線損。

3.2變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

變壓器的損耗占全系統(tǒng)線損總量的30%～60%，降低變壓器的損耗是電網(wǎng)降損的重要內(nèi)容。一般除選用節(jié)能型變壓器外，在變電所內(nèi)應(yīng)安裝兩臺(tái)以上的變壓器并聯(lián)運(yùn)行。這樣既提高了供電的可能性，又可以根據(jù)負(fù)荷合理停用并聯(lián)運(yùn)行變壓器臺(tái)數(shù)，降低變壓器損耗。

4、電網(wǎng)的無功補(bǔ)償

4.1提高負(fù)荷的功率因數(shù)

提高負(fù)荷的功率因數(shù)，可以減少發(fā)電機(jī)送出的無功功率和通過線路、變壓器傳輸?shù)臒o功功率，使線損大為降低，而且還可以改善電壓質(zhì)量、提高線路和變壓器的輸送能力。

4.2裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備

應(yīng)當(dāng)根據(jù)電網(wǎng)中無功負(fù)荷及無功分布情況合理選擇無功補(bǔ)償容量和確定補(bǔ)償容量的分布，以進(jìn)一步降低電網(wǎng)損耗。

5、結(jié)論

電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是降低供電成本的有效途徑。合理選擇降低網(wǎng)損的技術(shù)措施，是一項(xiàng)極為重要的工作。電網(wǎng)管理工作者除了懂得各種技術(shù)措施外，還需要根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際需要，選擇比較合適的降損措施，以使事半功倍。

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（責(zé)任編輯：xy）

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