谈谈如何提高开关电源待机效率

王易华

[摘要]在开关电源电路中，要提高待机效率，减小待机损耗，首先要研究开关电源电路的构成和分析损耗的原因。通过对开关电源损耗原因的分析，系统地介绍采取切断启动电阻、降低开关频率、减小开关次数等方法可减小待机损耗，同时提高待机效率。

[关键词]损耗 开关电源 效率

中图分类号：TM91文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0220017－01

一、引言

开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，功率晶体管作为开关管后，其脉宽调制(PWM)控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制-PWM开关电源效率可达65-70％，而线性电源的效率只有30-40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关注。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。在此基础上，人们正在研究如何进一步提高开关电源的待机效率。

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BLUEANGEL、ENERGYSTAR、ENERGY2000等绿色能源标准，一般情况下对开关电源的要求是：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。

二、开关电源功耗分析

开关稳压电源从原理上是由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成，其中主电路是指从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波。它们的作用分别是首先将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。其次是将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。再将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。最后根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。控制电路的作用一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。辅助电源提供所有单一电路的不同要求电源。

根据开关电源的内部原理，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。

三、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(QuasiResonant，QR)切换至脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)，脉宽调制切换至脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM)；可控脉冲模式(BurstMode)。

（一）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。如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。

（二）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。

（三）切换工作模式

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）。

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。如采用NS公司LM2618控制的Buck转换器电路和分别采用PWM和PFM控制方法的效率进行比较，显而易见，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。

（四）可控脉冲模式(BurstMode)

可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式(SkipCycleMode)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。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在工作时，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。

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。我们可根据此原理用分立元件实现普通芯片的BurstMode功能。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。

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BurstMode模式的迟滞比较器产生。

四、存在的问题

以上介绍的切断启动电阻、降低开关频率，减小开关次数等方法均可减小待机损耗，提高待机效率，但也带来一些问题，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BurstMode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。因此在采取相关措施来减小开关电源待机损耗，提高待机效率的同时，也必须综合考虑相关因素。

参考文献：

[1]常敏慧，《开关电源应用与维修》，科学文献出版社，2007年9月第二版.

[2]何希才，《新型开关电源设计与应用》，科学出版社，2007年6月第三版.

[3]叶治政、叶靖国，《开关稳压电源》，高等教育出版社.