- 數(shù)字電源技術(shù)同步整流技術(shù)
- 數(shù)字電源技術(shù)伏秒平衡控制技術(shù)
為推廣高效率節(jié)能產(chǎn)品,越來越多的國家和地區(qū)紛紛發(fā)布了各種節(jié)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如,國際能源署(IEA)所倡導(dǎo)“1W計劃”,美國環(huán)保署(EPA)的“能源之星”計劃,以及中國節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心(CECP)所制定的規(guī)章等都把節(jié)能環(huán)保放在重要位置。
如何提高電源的效率,是目前電源設(shè)計中面臨的重要課題。數(shù)字電源技術(shù)的出現(xiàn)為提高電源的效率提供了新的方法。ADP1043是ADI公司推出的一款針對高端服務(wù)器、存儲器以及通信設(shè)備等電源所設(shè)計的數(shù)字電源控制器,可支持多種拓撲結(jié)構(gòu),并利用直觀的圖形用戶界面(GUI)無需用語言進行編程,便可在幾分鐘之內(nèi)配置包括頻率、時序、電壓設(shè)置與保護限制等系統(tǒng)電源參數(shù)。圖1所示為ADP1043的典型應(yīng)用電路。其所采用的數(shù)字電源技術(shù)可幫助實現(xiàn)高效率電源。 圖1ADP1043典型應(yīng)用電路同步整流技術(shù)同步整流技術(shù)是指用導(dǎo)通電阻較低的MOSFET來替代整流二極管,從而達到降低整流損耗、提高效率的目的。在同步整流技術(shù)中,為避免交叉導(dǎo)通的危險,在主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動信號之間必須設(shè)定一定的死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi),電感電流流過同步整流MOSFET的體二極管。而這個體二極管一般會具有較高的前向?qū)妷篤F,在死區(qū)時間較大時,會造成較大的損耗。
因此,為最大限度地提高效率,要求死區(qū)時間盡可能小。但是在傳統(tǒng)的模擬方案中,自驅(qū)動型除了應(yīng)用的限制外,還很難提供精確的控制時序;對于外驅(qū)動型,由于其參數(shù)是由電阻、電容等無源器件進行設(shè)定,存在誤差、老化、溫漂等問題,為保證有足夠的余量,死區(qū)時間也不可能設(shè)置得很小。因此,ADP1043的數(shù)字方案是很好的選擇。圖2所示為ADP1043在全橋拓撲電路下的PWM和SR的GUI設(shè)置界面。通過設(shè)置T9、T10、T11和T125便可精確獲得同步整流MOSFET所需的死區(qū)時間,其中每次調(diào)整的最小時間為5ns。
圖2PWM和SR的GUI設(shè)置界面
伏秒平衡控制技術(shù)
在傳統(tǒng)的橋式拓撲電路中,一般為防止變壓器的偏磁,會在變壓器的原邊回路中串入一個隔直電容器。這樣做存在缺點,一方面是增加了電源的成本和體積,另一方面又增加了損耗,降低了效率。ADP1043采用伏秒平衡控制的數(shù)字技術(shù)解決了該問題。如圖3所示,在每個開關(guān)周期中,ADP1043通過CS1分別測量流過開關(guān)管A、D和開關(guān)管B、C的電流并計算其差值,通過差值信號調(diào)節(jié)驅(qū)動信號OUTB和OUTD的脈寬,對失衡進行補償。
例如,如圖4所示,當(dāng)CS1測量到流過開關(guān)管B、C的電流大于開關(guān)管A、D時,便會減小OUTB的脈寬,增大OUTD的脈寬,這樣流過開關(guān)管B、C的電流會減小,而流過開關(guān)管A、D的電流會增大,經(jīng)過若干周期后,電流自動實現(xiàn)了平衡。采用該技術(shù)后,可有效防止偏磁,并且省去隔直電容器,提高效率和可靠性。
圖3伏秒平衡控制技術(shù)
圖4伏秒平衡控制波形[page]
動態(tài)死區(qū)控制技術(shù)在傳統(tǒng)模擬方案中,一般設(shè)定一個足夠長的固定的死區(qū)時間可確保電源工作在所有條件下。但是對于一個典型的應(yīng)用環(huán)境,這個死區(qū)時間往往比所需的時間長,由于在死區(qū)時間,是MOSFET的體二極管在導(dǎo)通電流,所以較長的死區(qū)時間會增加損耗,降低電源的效率。ADP1043可根據(jù)負載的情況,動態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)的大小,從而使電源在輕載和滿載時的效率得以優(yōu)化。改善輕載效率除了提高電源在重載下的效率,改善電源輕載時的效率也同樣至關(guān)重要。
這是因為在電源壽命的絕大部分時間內(nèi),工作負荷一般低于60%,電源很少在滿負荷下(100%)長時間工作,在滿載時能高效工作的系統(tǒng)并不能保證在輕載時也同樣保持最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的模擬方案為改善輕載效率,往往需要大規(guī)模改變或增加控制電路,增加了控制的復(fù)雜性,降低了電源的可靠性。而ADP1043所提供的數(shù)字控制技術(shù),無需增加新的控制電路就能輕易的切換控制策略,這對于模擬電路來說幾乎是不可能的。
跳周期控制技術(shù)一般來說,開關(guān)電源在重載時,其損耗主要是功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。而在輕載時,開關(guān)管的開關(guān)損耗和磁損占主導(dǎo)地位。因此,降低開關(guān)管在輕載時的開關(guān)頻率就能明顯降低損耗,提高電源輕載時的效率。跳周期控制技術(shù)就是一種有效的方法。通常當(dāng)電源從滿載一直減小時,其工作模式會從連續(xù)電流模式(CCM)進入到非連續(xù)電流模式(DCM),這時為了維持輸出電壓的調(diào)節(jié),開關(guān)管的導(dǎo)通時間將會減小。如果一直繼續(xù)減小負載,開關(guān)管的導(dǎo)通時間就會到達最小導(dǎo)通時間。在達到最小導(dǎo)通時間后,如果仍繼續(xù)減小負載,調(diào)節(jié)器必須屏蔽掉一些開關(guān)脈沖,以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)。
這時一個脈沖將對輸出電容充電維持足夠的輸出能量,而在接下來的幾個脈沖被調(diào)節(jié)器屏蔽,不驅(qū)動開關(guān)管,當(dāng)輸出電壓降到調(diào)節(jié)器的閾值電壓以下時,一個新的脈沖開始。這樣,在維持輸出穩(wěn)定的前提下減少了開關(guān)次數(shù),降低了開關(guān)損耗,從而極大的提高輕載的效率。通過ADP1043的GUI可以設(shè)置開關(guān)管的最大和最小的導(dǎo)通時間和是否啟用跳周期控制技術(shù),如圖5所示。當(dāng)所需的導(dǎo)通時間小于設(shè)置的最小導(dǎo)通時間,并且啟用了跳周期控制技術(shù)時,電源進入跳周期的工作模式。
這是因為在電源壽命的絕大部分時間內(nèi),工作負荷一般低于60%,電源很少在滿負荷下(100%)長時間工作,在滿載時能高效工作的系統(tǒng)并不能保證在輕載時也同樣保持最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的模擬方案為改善輕載效率,往往需要大規(guī)模改變或增加控制電路,增加了控制的復(fù)雜性,降低了電源的可靠性。而ADP1043所提供的數(shù)字控制技術(shù),無需增加新的控制電路就能輕易的切換控制策略,這對于模擬電路來說幾乎是不可能的。
跳周期控制技術(shù)一般來說,開關(guān)電源在重載時,其損耗主要是功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。而在輕載時,開關(guān)管的開關(guān)損耗和磁損占主導(dǎo)地位。因此,降低開關(guān)管在輕載時的開關(guān)頻率就能明顯降低損耗,提高電源輕載時的效率。跳周期控制技術(shù)就是一種有效的方法。通常當(dāng)電源從滿載一直減小時,其工作模式會從連續(xù)電流模式(CCM)進入到非連續(xù)電流模式(DCM),這時為了維持輸出電壓的調(diào)節(jié),開關(guān)管的導(dǎo)通時間將會減小。如果一直繼續(xù)減小負載,開關(guān)管的導(dǎo)通時間就會到達最小導(dǎo)通時間。在達到最小導(dǎo)通時間后,如果仍繼續(xù)減小負載,調(diào)節(jié)器必須屏蔽掉一些開關(guān)脈沖,以維持輸出電壓的調(diào)節(jié)。
這時一個脈沖將對輸出電容充電維持足夠的輸出能量,而在接下來的幾個脈沖被調(diào)節(jié)器屏蔽,不驅(qū)動開關(guān)管,當(dāng)輸出電壓降到調(diào)節(jié)器的閾值電壓以下時,一個新的脈沖開始。這樣,在維持輸出穩(wěn)定的前提下減少了開關(guān)次數(shù),降低了開關(guān)損耗,從而極大的提高輕載的效率。通過ADP1043的GUI可以設(shè)置開關(guān)管的最大和最小的導(dǎo)通時間和是否啟用跳周期控制技術(shù),如圖5所示。當(dāng)所需的導(dǎo)通時間小于設(shè)置的最小導(dǎo)通時間,并且啟用了跳周期控制技術(shù)時,電源進入跳周期的工作模式。
圖5跳周期控制GUI設(shè)置界面關(guān)閉同步整流當(dāng)電源采用同步整流時,由于MOSFET的雙向?qū)ǖ奶匦?,使得此時的電感電流能夠反向,產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流的大小和輸出濾波電感有關(guān),輸出濾波電感越小,環(huán)流就會越大,相應(yīng)的損耗也會越大。由于同步整流管不能從連續(xù)電流模式(CCM)自動切換到非連續(xù)電流模式(DCM),因此要在電感電流反向前關(guān)閉同步整流,使電源進入非連續(xù)電流模式(DCM),避免環(huán)流的產(chǎn)生,大大提高電源輕載時的效率。
通過ADP1043的GUI可以設(shè)置關(guān)閉同步整流時的電流閾值。當(dāng)輸出電流值低于該閾值時,關(guān)閉同步整流。如圖6所示為采用ADP1043設(shè)計的全橋拓撲的模塊電源在不關(guān)閉和關(guān)閉同步整流在輕載條件下的損耗的情況??梢钥吹?,當(dāng)關(guān)閉同步整流后,大大減少了電源的輕載損耗。
通過ADP1043的GUI可以設(shè)置關(guān)閉同步整流時的電流閾值。當(dāng)輸出電流值低于該閾值時,關(guān)閉同步整流。如圖6所示為采用ADP1043設(shè)計的全橋拓撲的模塊電源在不關(guān)閉和關(guān)閉同步整流在輕載條件下的損耗的情況??梢钥吹?,當(dāng)關(guān)閉同步整流后,大大減少了電源的輕載損耗。
圖6兩種模式下的輕載損耗比較
切相技術(shù)隨著對功率要求越來越大,以及對負載瞬態(tài)響應(yīng)的要求越來越嚴(yán)格,用兩個或更多個功率單元進行交錯處理的多相技術(shù)越來越普遍。多相電路相對于單相電路具備明顯的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括輸入紋波電流很低,輸入電容數(shù)量較少;由于輸出紋波頻率的等效倍增,使輸出紋波電壓也降低了;而且由于損耗分布在更多元件中,消除了熱點,降低了元件的溫度;在重載時,開關(guān)管的導(dǎo)通損耗占主導(dǎo),通過多相并聯(lián)可以很好的降低導(dǎo)通損耗,提高電源在重載時的效率。
但是,隨著負載的減少,電路進入輕載狀態(tài),開關(guān)管的開關(guān)損耗逐漸占主導(dǎo),此時,輸出由一相供電就已經(jīng)足夠,多相的并聯(lián)反而使開關(guān)損耗成倍增加。因而,在輕載時,僅留一相工作,關(guān)閉多相模式,可以明顯改善電路在輕載時的效率。如圖7所示,為采用ADP1043所設(shè)計的交錯式雙管正激電路。當(dāng)輸出電流值低于通過GUI所設(shè)置的閾值時,ADP1043便會關(guān)閉QA2、QB2的驅(qū)動信號,以減少損耗。圖8所示為采用切相技術(shù)的電源的效率曲線,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出電流低于10A時,電源工作在單相模式下,效率有了明顯的提高。
但是,隨著負載的減少,電路進入輕載狀態(tài),開關(guān)管的開關(guān)損耗逐漸占主導(dǎo),此時,輸出由一相供電就已經(jīng)足夠,多相的并聯(lián)反而使開關(guān)損耗成倍增加。因而,在輕載時,僅留一相工作,關(guān)閉多相模式,可以明顯改善電路在輕載時的效率。如圖7所示,為采用ADP1043所設(shè)計的交錯式雙管正激電路。當(dāng)輸出電流值低于通過GUI所設(shè)置的閾值時,ADP1043便會關(guān)閉QA2、QB2的驅(qū)動信號,以減少損耗。圖8所示為采用切相技術(shù)的電源的效率曲線,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出電流低于10A時,電源工作在單相模式下,效率有了明顯的提高。
圖7交錯式雙管正激電路
圖8采用切相技術(shù)的效率曲線
結(jié)語ADP1043所提供的數(shù)字電源技術(shù)可以有效提高電源無論是在重載還是在輕載時的效率,實現(xiàn)了高效率電源。