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开关电源的待机功耗要求.

  • 2003-08-06 11:53
  • cmg

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  • 开关电源的待机功耗要求.
    欧盟对开关电源的待机(无负载)的标准要求:
    现在:0-75W输入,功耗《0.75W.2005年:输入:0.3-15W,0.3W;15-50W,0.5W;50-75W,0.75W.
    降低待机功耗的方法:因为空栽时导通损耗几乎为零,所以损耗基本上是MOS开通和关断的损耗.很明显最简单的方法就是减低空载时的开关频率,有的IC能检测负载情况,负载低时直接将频率降到一个较低的值,有的采用周期突跳的方式,有的直接就工作在跳频方式(在全负载范围内),后一种方法是最好的一种方法,可以把电源的功耗降到几豪瓦,但由于跳的频率有可能在音频范围内,大功率时有噪音的问题.
    器件的问题是一个主要的方面,但其他方面也不可忽视:变压器变比,变比太大,MOS关断时反压就很高,那吸收电路的损耗就是一个重要的方面.变压器杂散电容,它会造成MOS开通电流尖峰,既开通损耗,对变压器采用Z型饶法或层间加胶带可大大降低电容量,使损耗降低很多.供电绕组不可用太高电压.
    输出反馈部分分压电阻不能取的太小,等等.因为功豪要求很低,所以一些细节问题必须注意,一不小心就会超标.

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • yuanzhijunj

    LV.1

    2007-10-31 19:01

    @dyffrom620

    呵呵,去年的帖子现在回
    听说能源之星第五代要出台了,有没有朋友有相关的资料发上来看看,谢谢!
    352551193828438.pdf
    草案,不知道是否正確
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  • dyffrom620

    LV.1

    2007-11-01 10:36

    @yuanzhijunj

    352551193828438.pdf
    草案,不知道是否正確
    对平均效率的要求恐怖啊
    不知道什么时候开始执行
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    LV.1

    2007-11-01 11:05

    @yuanzhijunj

    352551193828438.pdf
    草案,不知道是否正確
    对效率的要求目前看起来没几个方案能满足要求
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  • jjkk

    LV.1

    2007-11-01 15:45

    @allin

    原理!
    待机功耗极低的创新SMPS控制方法  

      在本文中将介绍一种新的可控制脉冲模式(burst mode)解决方案,可用来得到极低的待机功耗,并以非常低的纹波提供稳定的输出电压.利用这样的解决方案,当负载突然激增时SMPS (开关电源) PWM (脉宽调制) 控制器能够实时激活,输出电压在从待机模式转换至正常模式时不会有很大的降低.此功能已被内置在Infineon的新型SMPS电流模式PWM控制器中.本文除介绍其控制方法外,也一并提出实验结果,以说明其效能.
      1. SMPS低待机功耗解决方案概述
      近几年来,低待机功耗已成为SMPS (开关式电源供电)中的重要议题;也已有少数标准,针对不同应用与不同的功耗范围被提出来.图1所示为欧盟 (European Commission) 建议的待机功耗.
      额定输入功率 无负载功率消耗
    Phase 11.1.2001 Phase 21.1.2003 Phase 31.1.2005
      ≧0.3 W和<15 W 1.0 W 0.75 W 0.30 W
      ≧15 W和<50 W 1.0 W 0.75 W 0.50 W
      ≧50 W和<75 W 1.0 W 0.75 W 0.75 W
      
    额定输入功率
    无负载功率消耗

    Phase 1

    1.1.2001
    Phase 2

    1.1.2003
    Phase 3

    1.1.2005

    ≧0.3 W和<15 W
    1.0 W
    0.75 W
    0.30 W

    ≧15 W和<50 W
    1.0 W
    0.75 W
    0.50 W

    ≧50 W和<75 W
    1.0 W
    0.75 W
    0.75 W


    无负载功率消耗应根据附录中所列方法予以量测与说明.

    图 1 欧盟所建议功率消耗值


      下列为一些电视和显示器应用中的新节约能源标准.
      EACEM 自愿协议: < 平均6W
      Blue Angel: < 1W (德国)
      Energy Star: < 3W (美国)
      除了上述标准,一些SMPS制造商需要更低的待机功耗,例如0.1W 或 0.2W.为了符合日益苛刻的需求,本文中提出了一些电源管理解决方案,并加以分析.
      传统SMPS的功率损耗列于下表中.

      

    激活电阻
      

    功率MOSFET的导通损耗
      

    功率MOSFET的开关损耗
      

    副二极管(secondary diode)的导通损耗
      

    副二极管的开关损耗
      

    铁芯损失
      




      其中,


                          DC 母纤电压

                                     激活电阻

                          通过MOSFET的RMS电流

                                        导通中(on state)MOSFET 的电阻

               MOSFET 开启损耗

                       MOSFET 关闭损耗

                                     SMPS 开关频率

                                        MOSFET 开启后的导通电流

                                       MOSFET 开启前的漏极电压

                                       MOSFET 关闭前的导通电流

                                      MOSFET 关闭后的漏极电压

                                    副二极管的正向电压降

                                副二极管的平均导通电流

             副二极管的关闭损耗


      因为待机状态下的极低输出功耗或甚至是没有负载的条件,大多数的SMPS控制器都是用非常小的占空比,以不连续导通模式 (DCM) 在运作.
      1. 因为占空比很小,MOSFET 和二极管的导通损耗,以及铁芯损耗便可以忽略不计.
      2. 同时由于是以 DCM 运作,副二极管的关闭损耗、MOSFET 的开启损耗亦可以省略不计.
      所以,待机状态下的主要损耗为:MOSFET 的关闭损耗以及激活电阻损耗.
      若要得到低的待机功耗,目前在 SMPS 的设计中,有几个广为应用的解决方案.
      1.1 可开关的激活电路
      若利用可切换电路来取代电阻,便可免除激活电阻的损耗.此电路在激活时是开启的,而当IC被激活后,便关闭电路.有许多 PWM 控制器已集成此项功能,例如 Infineon ICE2DS02G.
      1.2 降频模式
      请特别注意,MOSFET 关闭损耗是与开关频率成比例增加的.频率越高,其功率损耗也越高.然而,根据 SMPS 原理,我们需要用较高的频率才能缩小变压器的尺寸以及滤波元件的大小.但是在待机模式中,又需要较低的频率来降低损耗.因此,PWM 控制器可采用降频方法.在标称的负载范围内,IC 是处于高频运作.当输出功率下降到某一临界值,IC 就会自动降低其切换频率.
    降频模式的优点
      1. IC 一直保持运作,同时在整个负载范围中,输出都能被妥善的调节.
      2. 若是在负载从零激增至满负载的情况下,能够快速反应,反之亦然.输出电压降或是过冲值都将非常小,而且是在控制范围内.
      3. 在无负载的条件下,待机功耗在 265VAC 输入的情况下可以低到 0.7W,例如 Infineon CoolSET?-F2
    降频模式的缺点
      为避免音频噪音,频率不应低于20kHz.由于受此最低的开关频率限制,待机功耗就不会更低,因此无法符合0.3W的功耗需求.
      1.3 脉冲模式 (Burst mode)
      1.3.1 简介
      在脉冲模式中,是有时间区间 (Time Frame) 的.一个是禁止 MOSFET 开关,而另一个是解除此禁止讯号,让 MOSFET 工作以传送功率.在待机模式中,禁止讯号的持续时间会较解除时间长很多,因而使待机功耗能够非常低.
      1.3.2 输出纹波和脉冲频率
      图 2 所示为脉冲模式的原理.



    图 2 脉冲模式原理

      MOSFET在Ton是工作的,在Toff.是关闭的,传送到副二极管的功率是Pcharge,因此,整个周期中的平均功率是



      其中,Dburst 是脉冲模式的工作占空比.



      脉冲频率是



      在 Ton 期间,输出电容的充电电荷是



      其中,IAV 是从输出电容流出的平均输出电流.
      因此,输出电压平均值及纹波为:

      


      由此可看出,输出电压纹波是与输出电容和脉冲频率成反比.由于考虑到成本,通常不会采用大电容设计.因此,通常是采用较高的脉冲频率来降低输出电压纹波到可以接受的程度.然而,这样做会使待机功耗变差.所以,输出纹波和待机功耗间应取得一最佳化的设计结果.
      1.3.3 动态负载激增反应
      目前,大部分脉冲模式的作法是将 PWM 控制器在Toff 时间内关闭的方式来进行.Toff 时间内的输出电压并未被正确的监控与调节.若Toff 时间内的输出电流突然增加,PWM 控制器无法立即激活,输出电压仅由此「不佳」的输出电容所提供.这样会造成极大的电压降低,有时甚至会下降到零.SMPS 会在下一个脉冲周期被重置与重新激活.此问题显示于图 3 中.对大多数的电机设备来说此电压降低是无法接受的.



    图3,脉冲模式中的负载激增

      2. 通过新的ICE2DS02G PWM 控制器来构置主动的脉冲模式
      为了解决负载激增的问题,PWM 控制器就不能在Toff 内关闭.也就是说,脉冲模式必须用其它的方法来重新设定.其中一个解决方案就是通过反馈电压来触发.
      ICE2DS02G 是一电流模式的 PWM 控制器.其反馈电压会正确地控制变压器中的主峰值电流,亦即输出功率可依以下熟知的方程式来求得:



      在待机条件下,由于输出功率很小,反馈电压也就非常低.我们可设定一电压临界值Vburst-off来让IC 进入脉冲模式.一旦反馈电压低于Vburst-off,MOSFET 便停止开关,因此也就没有功率会被传送出去.输出电压会缓慢地下降,而反馈电压会因为调节电路的关系而上升.当反馈电压到达另一个临界值Vburst-on,MOSFET就会再开始开关.此Vburst-on 临界值远高于Vburst-off.若发生负载激增的情况,反馈电压会快速的增加到高于Vburst-on,然后 IC 就会立即离开脉冲模式.通过反馈电压的控制,输出电压纹波就能保持在最小,IC 也能在一旦输出功率回到正常状态时就开始响应.
      3. 实验测试
      我们用ICE2DS02G 设置了一个原型评估电路,其测试结果显示如下.输出规格为14V/3.3A.在无负载和240VAC输入电压条件下, 输入功率小于0.2W.
      3.1 满负载



    图4 240VAC下的满负载操作.频道1:Vds、 200V/div;时间:5us/div

      3.2 小负载下的脉冲模式



    图5 小负载和240VAC 条件下的脉冲模式.频道1:Vds、 200V/div;频道3:VFB、 2V/div;频道4:Vout 、50mV/div;时间:0.2ms/div  

      当VFB 降到1.3V,IC停止切换.于此同时,输出电压开始下降,且 VFB开始上升.当 VFB达到4V,MOSFET便开始切换.输出电压上升,然后由于负载小,所以VFB会下降.通过此波形,我们看到输出电压纹波可以降低到100mV.
      3.3 无负载下的脉冲模式



    图 6 无负载和240VAC 条件下的脉冲模式.频道1:Vds、 200V/div;频道3:VFB、 2V/div;频道4:Vout 、50mV/div;时间:5ms/div

      在无负载条件下,因为输出电容的缓慢放电,VFB也缓慢上升.因此,脉冲频率约为50Hz,此频率远低于小负载条件下脉冲频率.所以在240VAC的输入电压条件下,输入功率小于0.2W.
      3.4 从满负载转换至无负载时,进入脉冲模式



    图7 在240VAC ,当负载从满负载降至零负载时进入脉冲模式.

      频道1:Vds、 200V/div;频道2:Iout、1A/div
      频道3:VFB、 2V/div;频道4:Vout 、5V/div;时间:5ms/div
      若发生负载从满负载突然降至零负载的情况,约在2.5ms的延迟后,IC便会进入脉冲模式.延迟时间的长短可通过一外接电容来调整,以避免由于此负载的快速变化,而突然地进入脉冲模式.从波形来看,输出电压的过冲值非常小.
      3.5 从无负载转换至满负载时,脱离脉冲模式


    图8 在240VAC ,当负载从零负载激增至满负载时脱离脉冲模式.

      频道1:Vds、 200V/div;频道2:Iout、1A/div
      频道3:VFB、 2V/div;频道4:Vout 、5V/div;时间:0.2ms/div
      当负载突然从零上升至满负载,VFB 会立即上升,然后IC会激活MOSFET在VFB=4V切换,并在VFB=4.8V 时退出脉冲模式.输出电压降会小于0.3V.
      4. 结论
      利用此新的脉冲模式待机控制方法,能够妥善调节输出电压纹波,并将脉冲频率依照输出功率来做调整.若发生突然的负载改变,PWM IC 能够立即进入或脱离脉冲模式.因此,能将输出电压过冲或输出电压降低予以最小化.
    你好!我对你的这篇文章很感兴趣.可否发给我全文?
    zwyj1725@sina.com
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  • yuanzhijunj

    LV.1

    2007-11-01 19:06

    @dyffrom620

    对平均效率的要求恐怖啊
    不知道什么时候开始执行
    好像是2008/07/01
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  • yuan_yun

    LV.1

    2007-11-09 13:27

    @

    有谁知道EUP指令的相关内容,谢谢!
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  • julia1688

    LV.1

    2007-11-12 11:31

    @yuan_yun

    有谁知道EUP指令的相关内容,谢谢!
    ding
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  • steven_liu

    LV.1

    2008-12-30 16:16

    @cmg

    电压前馈真的可稳定输出功率吗?
    不知是你听说的,还是做过实验?
    电压前馈可降低输出的线路纹波(100Hz纹波),提高电源的线路调整率,是对普通电压控制方式的一个改进,使其具有了384X系列的自动电压前馈功能.应该不能稳定输出功率吧?
    你是不是看到21IC的电源BBS上“天工电子”的那个帖子,他是问384X为什么电流取样电阻上还要接一个电阻到高压端,那个是限制输出功率的,也是本人回答的.
    CMG你好 ,
    我认为384X电流取样电阻上接一个电阻到高压端,是用来改善过流保护点的,如果没有该电阻,高压264Vac与低压90Vac输入时,过流保护点将会相差很大.
    当负载过流时,以限制输出功率的方式达到保护power supply,但其只要目的并非是用来限制输出功率的.
    有不对的地方请指正!
    谢谢你的无私奉献!
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  • steven_liu

    LV.1

    2008-12-30 16:21

    @yuan_yun

    有谁知道EUP指令的相关内容,谢谢!
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  • xiuqianliu

    LV.1

    2009-01-06 18:21

    @

    看看这个芯片,日本SANKEN的,空载待机功耗0.05W,价格才0.23USD,可以做到100W,先看看资料,如有兴趣可以给你规格书,QQ136532495  13266819689 3076731231237299.pdf
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