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提高电源效率的新电路结构
作者:安森美半导体 Christophe BASSO
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工业电源, UPS, 稳压器, 稳压电源, 充电机, ...
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。

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,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90-250VAC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: christophe.basso@onsemi.com
安森美半导体 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/20/2005)
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