【導(dǎo)讀】六級能效對于一些產(chǎn)商既充滿機遇也充滿挑戰(zhàn)。而對于電源工程師而言,不增加成本就能提高效率無疑是最為理想的。本文中提出了能夠提高開關(guān)電源效率還能節(jié)約成本來滿足DOE VI的方案。
六級能效(DOE VI)解讀
要按規(guī)則辦事,首先就要了解規(guī)則,我們需要對標準有足夠的認識。DOE,全稱Department Of Energy,是美國能源部頒布的節(jié)能標準,主要對象為適配器、充電器等外置式電源。我們可以到其官網(wǎng)來了解其規(guī)則和下載最新的能效要求文件。
圖1:能效要求
圖2:DOE新舊版的平均效率要求曲線圖:(針對單路輸出Vo>=6V的情況,系列1為新版VI要求,系列2為舊版要求
)
圖3:六級能效計算公式
正確測試效率和空載功耗的方法。要注意以下三點:
1)測空載功耗的時候,電源的輸出端不要接負載(電子負載會帶來額外的損耗);
2)測平均效率的時候,功率分析儀的量程要注意調(diào)節(jié),要設(shè)置在最接近實測值的那個量程;
3)測試效率和空載功耗時的電壓表和電流表接法是不一樣的,見下圖。
圖4:測試效率和空載功耗時的電壓表和電流表接法
以上接法可以滿足大部分情況,但也不絕對。對于一些小功率的電源,如幾W至十幾W的,輸入電流很小,電壓表的分流作用始終占很大的比例,這樣情況下即使測效率也要采用圖B的接法,這一點容易被忽略。針對AC-DC的測試,用萬用表是不行的,因為存在PF的問題,需要用到功率分析儀。如果是DC-DC的話,用萬用表沒有問題。
提升平均效率的方法與降低空載損耗的幾個常用方法
提升平均效率的方法:先看看效率曲線,合理的設(shè)計應(yīng)該是個開口向下的拋物線。
圖5:效率曲線
第一個方法:優(yōu)化變壓器,盡量提高變壓器的感量。這個一般不會增加成本,對平均效率的貢獻大約有0.3%~0.6%,具體能多少基于原來的設(shè)計。但要注意低壓滿載以及跑峰值功率的時候變壓器不要有飽和問題。但很多人都是碰到提升感量后存在變壓器飽和問題就下結(jié)論增加感量行不通。變壓器飽和問題不是一定要通過降感量來解決的,可以采用提升頻率的方式來避免飽和。高壓的時候跑低頻,低壓的時候升頻,這樣即使感量較大,在低壓也可以抑制飽和。這樣也可能會造成低壓升頻的方式需要依賴于IC,可選的不多不夠靈活。那么有沒有辦法不依賴IC,從變壓器下手呢?有沒有一種方法使變壓器的感量在滿載的時候低,在輕載的時候高呢?輕載不用擔心飽和問題,這對提升輕載效率非常有益。其實就是非線性電感了,如何去實現(xiàn)非線性呢?這就看各家的功力了。對于大部分來說,估計只能做到僅僅提升感量,升頻和非線性電感無法導(dǎo)入。
第二個方法:還是變壓器,用大一號的磁芯。比如空間允許,能用RM7的就不要用RM6。
用大一號的磁芯對平均效率的貢獻約1%~2%,這個提升作用是非常大的。而大一號的磁芯對成本的影響很小或者還有可能下降(這個跟每家的用量和制程能力有關(guān))。即使用大一號的磁芯會導(dǎo)致成本上升,那也可以通過用便宜的MOS和二極管來平衡回來。這樣下來可以保持總成本不變,而換來零點幾pa的提升。做過小功率的都清楚,即使用很好的MOS和二極管,對平均效率的提升作用也有限,能有個0.5%左右就很不錯了,但成本需要增加較多。
第三個方法:控制IC的選擇,選擇輕載降頻的IC。這個對輕載的效率有好處。像3842之類的無法滿足,在這種應(yīng)用中該淘汰了。設(shè)計的時候有個小技巧,可以設(shè)計滿載剛好跑65K,載輕了馬上降頻。避免滿載、3/4載等多個載都跑65K。
圖6:輕載效率
下面把提升效率的幾個常用方法列出:
提升變壓器感量;變壓器用大一號的磁芯;選擇輕載降頻的IC;增大bus電容,主要是提升低壓輸出時候的平均效率。這個看bus電壓的波動情況,到一定值對效率影響就很有限;減小Cds電容(針對有EMI預(yù)設(shè)計的情況);優(yōu)化MOS的RCD吸收,一般是減小C增大R;優(yōu)化副邊二極管的吸收,一般是減小C;OCP能在原邊做的就不要在副邊做,減少采樣電阻的損耗;采用Qg小Coss小的MOS,這個不一定會貴,需要多找不同家的對比;對于低壓大電流的情況,需要使用低VF的二極管,同時變壓器的副邊可以考慮采用多股線。這個會增加成本;采用性能更好的MOS和二極管。(此法一般不輕易用,只是作為對策的完整性列出)相信通過上面的調(diào)整設(shè)計,對提升效率到六級能效是沒有問題的。
降低空載損耗的幾個常用方法:
1、IC的選擇,選擇低工作電流的,現(xiàn)在一般是0.5mA左右,同時VCC電壓在滿足供電的前提下盡量低。
2、高壓啟動,啟動后切斷啟動線路的最好。這個在早期一般是外加電路實現(xiàn)的,現(xiàn)在都集成在IC內(nèi)部了,缺點是增加成本和空間。對于小功率的,啟動時間在2~3S內(nèi)的,用普通啟動就可以實現(xiàn),一般不會采用高壓啟動線路或者IC,出于成本和空間的考慮。
3、現(xiàn)在的IC,空載都是跑burst,降低burst的個數(shù)和頻率。
4、降低驅(qū)動損耗,選擇低Qg的MOS。
5、降低變壓器的寄生電容。
6、關(guān)于RCD,這里要說明一下,合理的設(shè)計,RCD電路對空載損耗的影響幾乎可以忽略不計。實測有沒有RCD的差異在2mW左右。
7、副邊線路的優(yōu)化(此部分優(yōu)化前后可以有20mW~30mW的差異,影響很大。詳見下圖):
圖7:副邊線路的優(yōu)化
B、在滿足穩(wěn)定的條件下,盡量提升R1、R2的值;
C、431的選型,有高低工作電流之分,典型的為1mA,也有0.5mA甚至更低。選擇低工作電流的損耗低,但成本會上升,而且抗干擾能力降低,需要折中考慮;
D、選擇了低工作電流的431后,可以將R3加大,甚至取消。
其實,對于降低空載損耗,最主要的算以上的第二條和第七條。在副邊線路已優(yōu)化的情況下,如果還要進一步降低損耗,比如30mW、10mW甚至更低的要求,此時主要看IC的解決方案,外圍電路再優(yōu)化也無濟于事。
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