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2013年電氣工程師考試專(zhuān)業(yè)知識(shí)知識(shí)點(diǎn)4

發(fā)表時(shí)間:2013/2/28 14:03:09 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 點(diǎn)擊關(guān)注微信:關(guān)注中大網(wǎng)校微信
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為提高2013年注冊(cè)電氣工程師考試的考生的復(fù)習(xí)效率,有針對(duì)性的進(jìn)行各科目的復(fù)習(xí),本文將主要針對(duì)電氣工程師考試科目專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)》相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的講解,希望對(duì)您參加本次考試有所幫助,并在此預(yù)祝您金榜題名!

開(kāi)關(guān)電源功耗分析

一、引言

隨著能源效率和環(huán)保的日益重要,人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源待機(jī)效率期望越來(lái)越高,客戶(hù)要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿(mǎn)足BLUEANGEL,ENERGYSTAR,ENERGY2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn),而歐盟對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求是:到2005年,額定功率為0.3W~15W,15W~50W和50W~75W的開(kāi)關(guān)電源,待機(jī)功耗需分別小于0.3W,0.5W和0.75W.而目前大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源由額定負(fù)載轉(zhuǎn)入輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí),電源效率急劇下降,待機(jī)效率不能滿(mǎn)足要求。這就給電源設(shè)計(jì)工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

二、開(kāi)關(guān)電源功耗分析

要減小開(kāi)關(guān)電源待機(jī)損耗,提高待機(jī)效率,首先要分析開(kāi)關(guān)電源損耗的構(gòu)成。以反激式電源為例,其工作損耗主要表現(xiàn)為:MOSFET導(dǎo)通損耗,MOSFET寄生電容損耗,開(kāi)關(guān)交疊損耗,PWM控制器及其啟動(dòng)電阻損耗,輸出整流管損耗,箝位保護(hù)電路損耗,反饋電路損耗等。其中前三個(gè)損耗與頻率成正比關(guān)系,即與單位時(shí)間內(nèi)器件開(kāi)關(guān)次數(shù)成正比。在待機(jī)狀態(tài),主電路電流較小,MOSFET導(dǎo)通時(shí)間ton很小,電路工作在DCM模式,故相關(guān)的導(dǎo)通損耗,次級(jí)整流管損耗等較小,此時(shí)損耗主要由寄生電容損耗和開(kāi)關(guān)交疊損耗和啟動(dòng)電阻損耗構(gòu)成。

三、提高待機(jī)效率的方法

根據(jù)損耗分析可知,切斷啟動(dòng)電阻,降低開(kāi)關(guān)頻率,減小開(kāi)關(guān)次數(shù)可減小待機(jī)損耗,提高待機(jī)效率。具體的方法有:降低時(shí)鐘頻率;由高頻工作模式切換至低頻工作模式,如準(zhǔn)諧振模式(QuasiResonant,QR)切換至脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM),脈寬調(diào)制切換至脈沖頻率調(diào)制(PulseFrequencyModulation,PFM);可控脈沖模式(BurstMode)。

(一)切斷啟動(dòng)電阻

對(duì)于反激式電源,啟動(dòng)后控制芯片由輔助繞組供電,啟動(dòng)電阻上壓降為300V左右。設(shè)啟動(dòng)電阻取值為47kΩ,消耗功率將近2W.要改善待機(jī)效率,必須在啟動(dòng)后將該電阻通道切斷。TOPSWITCH,ICE2DS02G內(nèi)部設(shè)有專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)電路,可在啟動(dòng)后關(guān)閉該電阻。若控制器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)電路,也可在啟動(dòng)電阻串接電容,其啟動(dòng)后的損耗可逐漸下降至零。缺點(diǎn)是電源不能自重啟,只有斷開(kāi)輸入電壓,使電容放電后才能再次啟動(dòng)電路。

(二)降低時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過(guò)某一閾值,通過(guò)特定模塊,實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率的線性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片內(nèi)置了這樣的模塊,能根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)頻率。

(三)切換工作模式

1.QR→PWM對(duì)于工作在高頻工作模式的開(kāi)關(guān)電源,在待機(jī)時(shí)切換至低頻工作模式可減小待機(jī)損耗。例如,對(duì)于準(zhǔn)諧振式開(kāi)關(guān)電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz),可在待機(jī)時(shí)切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM(幾十kHz)。

IRIS40xx芯片就是通過(guò)QR與PWM切換來(lái)提高待機(jī)效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機(jī)時(shí)候,輔助繞組電壓較小,Q1關(guān)斷,諧振信號(hào)不能傳輸至FB端,F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個(gè)門(mén)限電壓,不能觸發(fā)準(zhǔn)諧振模式,電路則工作在更低頻的脈寬調(diào)制控制模式。

2.PWM→PFM

對(duì)于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源,也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機(jī)效率,即固定開(kāi)通時(shí)間,調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間,負(fù)載越低,關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng),工作頻率也越低。圖5是采用NS公司的LM2618控制的Buck轉(zhuǎn)換器電路和分別采用PWM和PFM控制方法的效率比較曲線。由圖可見(jiàn),在輕載時(shí)采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時(shí)的效率,且負(fù)載越低,PFM效率優(yōu)勢(shì)越明顯。將待機(jī)信號(hào)加在其PW/引腳上,在額定負(fù)載條件下,該引腳為高電平,電路工作在PWM模式,當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí),該引腳被拉為低電平,電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換,也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。

通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率,提高待機(jī)效率,可保持控制器一直在運(yùn)作,在整個(gè)負(fù)載范圍中,輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿(mǎn)負(fù)載的情況下,能夠快速反應(yīng),反之亦然。輸出電壓降和過(guò)沖值都保持在允許范圍內(nèi)。

(四)可控脈沖模式(BurstMode)

可控脈沖模式,也可稱(chēng)為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當(dāng)處于輕載或待機(jī)條件時(shí),由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號(hào)控制電路某一環(huán)節(jié),使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效,如圖6所示。這樣即可實(shí)現(xiàn)恒定頻率下通過(guò)減小開(kāi)關(guān)次數(shù),增大占空比來(lái)提高輕載和待機(jī)的效率。該信號(hào)可以加在反饋通道,PWM信號(hào)輸出通道,PWM芯片的使能引腳(如LM2618,L6565)或者是芯片內(nèi)部模塊(如NCP1200,F(xiàn)SD200,L6565和TinySwitch系列芯片)。

NCP1200的內(nèi)部跳周期模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7,當(dāng)反饋檢測(cè)腳FB的電壓低于1.2V(該值可編程)時(shí),跳周期比較器控制Q觸發(fā)器,使輸出關(guān)閉若干時(shí)鐘周期,也即跳過(guò)若干個(gè)周期,負(fù)載越輕,跳過(guò)的周期也越多。為免音頻噪音,只有在峰值電流降至某個(gè)設(shè)定值時(shí),跳周期模式才有效。

而FSD200則是通過(guò)控制內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)可控脈沖模式,即將腳的反饋電壓與0.6V/0.5V遲滯比較器比較,由比較結(jié)果控制門(mén)極驅(qū)動(dòng)輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實(shí)現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能。控制反饋通道是實(shí)現(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

另外對(duì)于有使能腳的PWM控制器,如L6565等,用可控脈沖信號(hào)控制使能腳使控制芯片有效或失效,也可以實(shí)現(xiàn)BurstMode,上述BurstSignal可由圖1中所示的遲滯比較器產(chǎn)生。

四、存在的問(wèn)題

以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機(jī)效率的同時(shí),也帶來(lái)一些問(wèn)題,首先是頻率降低導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加,其次如果頻率降至20kHz以?xún)?nèi),可能有音頻噪音。而在BurstMode的OFF時(shí)期內(nèi),如果負(fù)載激增,輸出電壓會(huì)大大降低,如果輸出電容不夠大,電壓甚至可能降低至零。如果增大輸出電容,以減小輸出電壓紋波,則會(huì)導(dǎo)致成本增加,并會(huì)影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此必須綜合考慮。

相關(guān)內(nèi)容:

2013年電氣工程師考試專(zhuān)業(yè)知識(shí)知識(shí)點(diǎn)匯總

2013年電氣工程師考試專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)指導(dǎo)匯總

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(責(zé)任編輯:xll)

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