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当提高电源效率的新电路结构

发布时间:2021-09-11 20:22:47 阅读: 来源:钻床厂家

提高电源效率的新电路结构

功率因数校正(PFC)可减少电源待机功耗并改善总体电源效率,但是额外的电路会增加设备在轻负载或无负载状态下的功耗。本文讨论的电路结构可管理由PFC引入的功耗,从而提高总体电源性能。

最近几年,全球相关管理机构的工作重点放在了减少电源的能量消耗上。第一阶段旨在减少电源的待机功耗,这项工作已在进行当中。目前,各国政府相关部门正在展开下一阶段工作,目标是改善电源激活模式下的效率。此外,功率因数校正仍然是满足上述效率要求所面临的一个严峻挑战。

控温精度高

适配器功率提高

五年以前,笔记本电脑适配器提供的平均功率大约为40W,当时处理器的速度仍不到1GHz,包括外围设备在内的总功耗可通过传统的电压转换方法来管理。如今,由于高速处理器的问世,对离线电源的需求增长很快,现在能提供高达150W功率的电源适配器已经很普遍,既可用于大屏幕笔记本电脑,也可用于LCD TV等。

输出功率提高自然会给市电插座带来更重的负载。当几个大功率适配器使用同一个电源插座或分布式电源线架构时(例如在办公室中),这个问题会变得更加严重。在这个时候使用PFC前端电路不仅能减少电源插座的负担,而且还能确保得到洁净的正弦电流,从而减少对其它连接设备的干扰。然而,额外的前端电路会增加设备在轻负载或无负载状态下的功耗,因此需要新的技术来管理由PFC前端电路引入的额外功耗。在讨论解决方案以前,先简要介绍一下“功率因数”的确切含义。

功率因数校正

“功率因数 (PF)”可用来描述一个连接电源的特定负载的表现与真实电阻的相似程度。定义PF为有效功率(单位:W)与视在功率(单位:伏安或者VA)之比,即:PF=W/VA。

无论两个被测信号(电流和电压)为何种波形,该定义都是正确的。请注意,PF=cos j是被测信号为正弦波的特殊情况。如果此时将一个“理想”电容或电感跨接在电源两端,则PF=0(j=90°);相反,如果跨接一个纯电阻,则PF=1。

图1以电视机为例,通过测量交流电源线上输入电压的均方根(RMS)值以及设备从电源线上拽取的电流,描述了如何简单地计算一台设备的视在功率,当然这里使用了可测量非正弦(特别是高峰值电平)信号的真正RMS安培/伏特表。

图1:测量输入电压和电流的RMS值并相乘,可得到视在功率(单位:VA)

完成这些测量后,只需简单地将它们相乘便得到视在功率。测量有效功率需要使用功率表或者示波器,若使用示波器则需将示波器上电压与电流迹线的读数相乘。计算由瞬时电流和电压的乘积(瞬时功率,单位:瓦特)与时间组成的面积(能量,单位:焦耳),再将这个结果除以电源周期,便得到以瓦特(W)为单位的平均功率。

在欧洲,除了极限值可低至25W的照明设备外,功率大于75W的电源必须进行功率因数校正。

全波整流的功率因数

开关模式电源(SMPS)从经过整流的DC电源线上获得平均能量。术语“整流”表示电源仅在电压峰值高于前面提到的DC值时才给大电容充电。因此,由于存在短暂的电源阻抗,大电容“充电”所需的时间近乎是即时,输入电流由带有很高谐波分量的循环短脉冲组成。图2a描述的是任何一种SMPS所具有的典型整流电路。

图2a:典型的SMPS输入级 图2b:典型的电流波形

在电源上串联一个电阻是为了避免首次将SMPS插入电源插座时(Cbulk放电)产生过大的浪涌电流。这个电阻不仅会带来额外成本,而且还会通过消耗一些功率而使整体效率下降。图2b是相关波形,可看出它并非理想的正弦波。

如果按上述方法测量PF,将得到PF=0.6,它是这种配置的典型值。

从电源插座上获得更多的功率

从上述定义可看出,从电源插座获取的视在功率大小取决于功率因数。在欧洲,标准壁式电源插座可连续提供高达15A RMS的电流而没有任何问同时题。假设要推出一种可在230V 交流市电上工作的250W电源(例如一台CRT监视器),则对于如图2a所示的电源级,PF=0.6将是一个合理的值。如果计算该系统所需的RMS电流,可得到Iin=250/0.6/230=1.8A RMS或者452VA的视在输入功率,这几乎是前面数字的两倍。因此,市电插座只能供应8个这样的电源以便使总电流在15A以内。如果继续推算下去还会发现,由于市电电平精度为±15%,所以最低市电电压会使连接在壁式电源插座上的电源系统不能超过7个。

这个简要的计算表明,较低的PF值将限制连接在标准市电插座上的设备数量。如果想将更多的系统连接在同一电源插座上,记录磨擦力和温度曲线.该机配有高精度丈量装置则需安装更粗大的电源分配线并将插座更换成容量更大的插座,或者增加一个PFC前端级。PFC可校正PF并使其接近1。因此,在前面的示例中,RMS输入电流降至1.3A,这时可放心地将多达11个电源连接在同一市电插座上。在一些市电电压较低或波动较大的地区,这个问题显得尤为重要。

PFC级和待机功耗

校正电源功率因数的方法有好几种,最流行的电路结构便是如图3所示的BOOST级。在这种配置中,有一个环路负责监测输入电压(正弦波形),并主动使输入电流跟随电压波形。在PF几乎等于1的预转换配置中则没有该环路,而是提供经过整流的直流输出电压,这个电压将进一步为SMPS(例如笔记本电脑充电器)供电。

图3:采用BOOST拓扑结构的PFC电路

正如前面所讨论的,电路积极地控制电源开关以便使输入电流接近正弦波。然而,当连接负载被移开或直接进入待机模式时会发生什么情况呢?此时PFC会尽量减少活动,但在给定所选的电路拓扑情况下,它仍会从电源拽取一定电流。对于一个150W的PFC级,其功耗可达200mW@230VAC。在这种情况下,很难将150W适配器的待机功耗降至300mW以下,甚至很难将90W系统的待机功耗降至100mW以下。

另一个挑战与轻负载时的效率有关。在某些应用中,当负载下降到400mW时,转换器消耗的功率不能超过1W,因此保留PFC级使这种设计目标很难实现,这也是轻负载状态下需断开PFC级的另一个原因。

断开PFC级

既然电源的脉宽调制(PWM)控制器知道如何在转换器负载减小时降低输出功率,为什么不产生一个用于证明进入待机模式并将PFC控制器断开的信号呢?这正是所提出技术所要解决的一个问题:一个低阻抗信号经由PWM控制器Vcc发送给PFC控制电路,在常规负载状态下为其供电;当负载减少时,PWM会检测待机模式并关掉PFC控制器。图4显示了该架构在基于PFC的电源中是如何工作的。

图4:通过发送或中断Vcc管脚的信号,实现在待机模式下断开PFC级

当GTS引脚有效时,开关SW断开且不再给PFC控制器供电,使其功耗减至最低。相反,如果输出上有负载,则内部SW开关会接通并启动PFC。

这种配置已安装为寻求设计自由度、制造便利性和轻质以超出传统铝材方案在一块90W的演示板上,并对它的待机功耗进行监视。图5a描述了当电源处于VAC之间且无输出(无负载状态)时输入功率的变化。图5b则描述了当输出为400mW(轻负载状态)时电路板的输入功率性能。

图5a:市电上无负载状态时的输入功率。图5b:市电上负载为400mW时的输入功率。

可看出,待机功耗在无负载状态下(160mW@230VAC)低于200mW,而当输出功率为400mW@230VAC时该电路仍能提供50%的效率。

本文小结

对AC/DC适配器或电源的新需求意味着输出功率会不断提高。更高的功率要求意味着如果需要保持结构紧凑,必须采用功率因数校正电路。由于有了本文讨论的创新架构,新推出的芯片解决方案可增加额外的PFC级, 而不会影响总体电源待机性能。实践证明,用这种新电路构建的电路板能通过输出功率为400mW、总效率超过40%的最低功率测试。

作者:Christophe BASSO

应用经理

Email: sso@

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