開關(guān)電源待機(jī)功耗分析

王學(xué)軍

摘 要 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率（占空比），調(diào)整輸出電壓，維持輸出穩(wěn)定的一種電源。開關(guān)電源是電子電源的主要大類產(chǎn)品，由于其小型化、重量輕、功率密度/轉(zhuǎn)換效率高、輸入電壓范圍廣、熱消耗較少等眾多種優(yōu)點(diǎn)，并得益于電子產(chǎn)品輕、薄、小的需求趨勢(shì)，其發(fā)展迅速，將全面取代線性電源而普及于各種電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】待機(jī)功耗 開關(guān)管損耗 高壓?jiǎn)?dòng) 6級(jí)能效

從2011年至2015年每年全球開關(guān)電源市場(chǎng)銷售額平均保持了6.5%左右的幅度增長(zhǎng)， 2016年中國(guó)電源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過2156億元，我國(guó)開關(guān)電源產(chǎn)值將達(dá)到1875億元。

可以預(yù)計(jì)，下面幾個(gè)問題是開關(guān)電源發(fā)展的永恒方向：

（1）開關(guān)電源頻率要高，這樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)才能快，配合高速微處理器工作是必須的；也是減小體積的重要途徑。

（2）體積要減小，變壓器電感、電容都要減小體積。

（3）效率要高，產(chǎn)生的熱能會(huì)減少，散熱會(huì)容易，容易達(dá)到高功率密度。

（4）待機(jī)功耗低，這樣才能節(jié)能減排，做到低碳環(huán)保。

1 提高整機(jī)效率與降低待機(jī)功耗理論分析

1.1 開關(guān)電源的損耗包含功率管導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗以及外圍控制電路損耗，電路不同部分的損耗成因各不相同，因此減小損耗的方法也有不同

需要用數(shù)學(xué)方程式量化這些損耗，進(jìn)而整理出降低各部分損耗的方法，才能得出具體有效降低整體損耗的方案。

1.2 主要導(dǎo)通損耗

如表1、表2、表3所示。

1.3 主要開關(guān)損耗

如表4、表5、表6所示。

1.4 外圍控制電路損耗

表7所示。

2 整機(jī)待機(jī)功耗分析

2.1 D4875手機(jī)充電器5V2A整機(jī)實(shí)際線路

從圖1整機(jī)線路分析功耗來源，主要可以分為以下幾類：開關(guān)損耗、電阻損耗、緩沖網(wǎng)絡(luò)損耗、PWM控制器功耗等。

2.2 開關(guān)損耗

2.2.1 測(cè)試條件

VAC=264V。下面為輔助繞組對(duì)地的波形（如圖2、圖3、表8所示）

原因分析：MOSFET的導(dǎo)通損耗，開關(guān)交疊損耗均與頻率成正比關(guān)系，即與單位時(shí)間內(nèi)開關(guān)次數(shù)成正比。

2.3 啟動(dòng)電阻損耗

如表9所示。

（1）測(cè)試條件VAC=264 V，RIN=1MΩ→2 MΩ

啟動(dòng)電阻RIN上最大損耗：

備注：低頻整流后的電壓存在一定波動(dòng)，故實(shí)際測(cè)試值與理論計(jì)算值有一定偏差。當(dāng)然目前市場(chǎng)上已有采用高壓?jiǎn)?dòng)的芯片（此類芯片半導(dǎo)體工藝相對(duì)復(fù)雜），也就是啟動(dòng)后切斷電阻上的電流，可以達(dá)到?jīng)]有損耗。

（2）同時(shí)可以通過把RIN的位置從低頻整流后轉(zhuǎn)到低頻整流前，這樣可以進(jìn)一步降低待機(jī)功耗。測(cè)試條件VAC=220V，RIN=1MΩ或2MΩ，改變RIN連接位置，如表10所示。

（3）啟動(dòng)電阻值的增加，可以降低整機(jī)待機(jī)功耗，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致整機(jī)開機(jī)時(shí)間的延長(zhǎng)，故待機(jī)功耗的降低是以犧牲整機(jī)開機(jī)時(shí)間為前提的。由于整機(jī)開機(jī)時(shí)間不能超過一定的時(shí)間（一般2S），各個(gè)廠家又有所不同，故根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，選擇的標(biāo)準(zhǔn)是在不超過規(guī)定的開機(jī)時(shí)間下盡量增加啟動(dòng)電阻，從而降低待機(jī)功耗，如圖4、圖5所示。

測(cè)試條件：VAC=110 V，full load 2 A，RIN=1MΩ→2MΩ

（4）輸出分壓電阻RO最大損耗（RO包括兩個(gè)分壓電阻總和）：

測(cè)試條件：VAC=220V，RO=2KΩ→20 KΩ，如表11所示。

2.4 緩沖網(wǎng)絡(luò)損耗

2.4.1 二次側(cè)整流二極管RC緩沖網(wǎng)絡(luò)損耗

測(cè)試條件：R=18 Ω，C=102→103（如表12、表13所示）。

從表14可看出，電容C=102時(shí)主要吸收高頻，那樣就不會(huì)吸收掉正常工作的低頻頻率，功耗較低，但噪聲與尖峰會(huì)很大。電容C=103時(shí)同時(shí)吸收低頻高頻，吸收效果好，噪聲和尖峰會(huì)相應(yīng)的小很多，但功耗會(huì)較大。由于吸收過來的能量會(huì)損耗在電阻上，因此電阻越大能量損耗也相應(yīng)會(huì)增加。

2.5 RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)

2.5.1 測(cè)試條件

如表15所示。

D=FR107，R=100 KΩ，C=101→102→103

2.5.2 測(cè)試條件

如表16所示。

D=FR107，C=102，R=50 KΩ→100 KΩ→200 KΩ

原理分析如圖6所示。

電容Csn=101時(shí)主要吸收高頻，那樣就不太會(huì)吸收掉正常工作的低頻頻率，功耗較低，但噪聲和尖峰會(huì)很大。電容Csn=103時(shí)同時(shí)吸收低頻高頻，吸收效果好，噪聲和尖峰會(huì)相應(yīng)的小很多，但功耗會(huì)較大。由計(jì)算公式可以看出損耗在RSN上的能量與RSN的阻值成反比，故電阻越大，損耗越小。在實(shí)際調(diào)試過程中，當(dāng)能耗降低會(huì)導(dǎo)致尖峰值增加，從而引起EMI問題，這時(shí)需要在兩者之間權(quán)衡，同時(shí)兼顧效率與EMI。

2.6 D4875 PWM控制器損耗

2.6.1 芯片D4875上最大損耗

P=VDD×IDD

2.6.2 測(cè)試條件

VDD=12 V→18 V

從表17可看出，降低VDD的供電電壓與供電電流能有效的降低待機(jī)功耗。

4 結(jié)論

要減小開關(guān)電源待機(jī)損耗，提高待機(jī)效率，根據(jù)開關(guān)電源損耗的構(gòu)成分析，最有效的方法就是切斷啟動(dòng)電阻，優(yōu)化緩沖網(wǎng)絡(luò)，降低芯片工作電壓與工作電流，降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

[1]王志強(qiáng)，肖文勛.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.