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削减待机功耗和系统成本

在本演示中,我们将 详细讨论交流/直流电源中的 功率损耗来源,以及 如何减少待机功耗和系统成本, 同时又不牺牲性能。 在本节课程中,我们将回顾 LLC 转换器和临界导通模式升压 PFC 转换器的 工作原理。 我们将讨论交流/直流电源系统中的 功率损耗来源,以及 减少功耗和组件数量的新途径。 首先,我们来讨论减少交流/直流系统中的 待机功耗背后的原因。 减少待机功耗的一个最主要的原因是 政府实行了更加严格的法规, 例如欧盟行为规范 2 级和 美国能源部能效 6 级法规。 而且,待机功耗 是衡量许多终端设备 (例如个人计算机、交流/直流适配器、 高级游戏机系统和高端电视等) 卓越性能的一个重要差异化指标。 左侧显示的是一个 典型的交流/直流电源架构, 它用于最高 300 瓦的应用。 该系统由三个主要模块组成: 一个提供有功功率因数校正的 单相临界导通模式 PSE 前端、 一个提供隔离式输出电压的 半桥 LLC 转换器 和一个为系统提供备用电源的 隔离型反激式转换器。 除了这三个核心模块外, 还具有一些外部功能, 例如 X 电容器放电、高电压启动 和 PFC 开/关控制。 右侧显示的是一个更新的 交流/直流电源架构方法。 您可以看到,系统中移除了 反激式备用电源。 相反,PFC 和 LLC 模块 必须能够实现高能效的低功耗模式 才能达到待机功耗目标。 另外还整合了一些外部电路功能, 例如 X 电容器放电和高电压启动, 以节约成本和空间。 该系统中的一些主要功耗来源 包括 PFC 和 LLC 模块的开关损耗、 高电压电阻分压器中的静态功耗、 静态电流消耗和反馈偏置。 功率因数是实际功率除以 交流/直流电源消耗的总视在功率 所得的比值。 要在交流/直流电源转换中 最大限度地减少 电源消耗的无功功率, 高功率因数非常重要。 最大限度地减少交流/直流 电源系统消耗的无功功率的同时, 总视在功率也会降至最低, 从而提高电网电力的 能效。 临界导通模式 PFC 也称为转换模式 PFC,它是一个升压转换器, 允许在电感电流降低至 0 后 再重新导通 MOS FET。 它在 DCM 和 CCM 之间的边界运行。 要实现功率因数校正, CrCM PFC 监测线电压, 并调整 MOS FET 的导通时间, 以强制线电流跟随线电压。 因此,PFC 的开关频率 会随瞬时线电压的改变而改变。 为了最大限度地降低 线电压过零交叉点附近的线电流, 必须提高 PFC 的开关频率,这会导致开关损耗 增加。 开关损耗是频率以及 开/关转换期间电压和电流的函数。 当 MOS FET 的漏极存在电压时, MOS FET 漏极和源极之间的寄生电容 储存了电荷。 MOS FET 导通的一刻, 该能量耗散,从而产生开关损耗。 MOS FET 开/关转换的频率越高, 转换器的开关损耗越高。 当漏极电压处于谷值时 导通 MOS FET,寄生电容中 储存的总能量最低, 因此在 FET 导通时的能量耗散更少, 开关损耗也更少。 这就是所谓的谷底开关概念。 此外,不在第一个谷底导通 MOS FET, 而是在第二个谷底导通,可以降低总开关频率, 从而减少开关损耗。 UCC28056 是一个使用临界导通模式 和不连续导通模式运行的 混合模式 PFC 控制器。 右侧显示的是转换器瞬时开关频率、 MOS FET 导通时间、 电感器放电时间和 DCM 时间 与输出功率之间的函数关系图。 在高功率需求期间, 控制器在 CrCM 模式下运行。 随着输出功率逐渐降低, 控制器转换至 DCM 运行模式, 其中 MOS FET 导通时间和放电时间固定。 在此运行模式下,DCM 时间是输出功率的函数。 随着输出功率逐渐降低, DCM 时间增加,开关频率降低, 轻负载条件下的开关损耗减少。 除了支持 DCM 运行模式外, UCC28056 还具有确定性突发模式功能, 用于在超轻负载条件下运行。 控制器进入突发模式的阈值 由误差放大器输出决定。 该策略的优点是 突发模式阈值 不受线电压影响, 因而 PFC 转换器 会在稳定的输出功率阈值处 进入突发模式。 DCM 运行模式 不但能够提升能效, 还能带来更多其他好处, 例如大幅降低线电流的 总谐波失真。 此处显示了 UCC28056 与传统 CrCM PFC 全负载范围内的 能效比较情况。图中突出显示了多模式 PFC 方法的 优势。 在轻负载条件下, 能效显著提升。 在轻负载条件下 实现更高能效的好处是 无需禁用 PFC 转换器, 也能满足严格的 待机功耗要求。 它极大地简化了 交流/直流电源系统, 无需采用 PFC 开/关控制。 LLC 转换器采用了 脉冲频率调制方案, 其中占空比固定为 50%, 通过调整开关频率 进行调节。 LLC 拓扑的 一个显著好处是 初级 MOS FET 在所有运行模式下 能够实现零电压开关, 低于谐振频率主动触发 同步零电流开关。 这些特性使得它可以在全负载范围内 实现极低的开关损耗。 我们来进一步详细 讨论 LLC 转换器 是如何实现零电压开关的。 在方块一中,高侧 MOS FET 导通, 低侧 MOS FET 断开。 当高侧 MOS FET 导通时, 谐振电感器阻止电流突然变化, 并继续从开关节点拉出电流。 因此,谐振电流 在死区时间释放 低侧 MOS FET 的寄生电容。 当低侧 FET 的 VDS 达到零时, 低侧 MOS FET 导通。 当 VDS 为 0 伏时导通 MOS FET, 就能显著减少初级侧的 开关损耗。 右侧的图形显示了不同负载条件下 LLC 功率级的 标准化增益曲线。 蓝色虚线表示 由谐振电感器和 谐振电容器形成的谐振频率。 LLC 转换器调节 LLC 谐振回路的增益, 以维持稳压, 降低开关频率 则增益增加,提高开关频率 则增益减少。 在谐振频率附近 运行时的能效最高。 UCC25630X LLC 微控制器系列 采用了新的控制方案, 称为混合迟滞控制。 该控制策略监测谐振电容器电压, 并基于此信息设定 初级侧 MOS FET 的 开/关时间。 该控制方案能够很好地实现 突发模式功能 和良好的瞬态响应。 谐振电容器电压 与一个开关周期内的 平均输入电流 成比例。 通过监测由反馈电路确定的 控制程度 以及将谐振电容器电压 整合到控制环路中, 可以针对多个开关脉冲 和突发数据包频率 优化突发模式中的开关数据包。 也可以通过反馈电路 自动调节 VCR 开关阈值, 从而快速退出突发模式。 混合迟滞控制不但能够 实现低待机功耗, 还能快速退出突发模式, 从而维持良好的瞬态响应。 这里的两个图形 比较了直接频率控制 LLC 与 UCC25630X 的 空载至满载条件下的瞬态响应。 通过混合迟滞控制,UCC25630X 的输出电压偏差 降低了 10 倍。 这里显示了通过 LCC 中的突发模式功能 实现的交流/直流电源 能效提升。 在轻负载条件下,能效提高 10%。 PMP21251 是一种 交流/直流电源参考设计, 结合了 UCC28056 和 UCC25630X 两者的优势, 达到了不到 90 毫瓦的 空载待机功耗。 在 TI.com 可以下载设计文档, 例如原理图、物料清单和测试结果。 总而言之, 通过谷底开关、DCM 运行和突发模式等方法, 可以最大限度地降低开关损耗。 可提升能效, 同时又不损害其他性能指标, 例如瞬态响应。 此外,如果能在轻负载条件下实现高能效, 则无需使用外部电路, 从而极大地简化了系统架构, 减少了物料使用数量,一举多得。 224

在本演示中,我们将

详细讨论交流/直流电源中的

功率损耗来源,以及

如何减少待机功耗和系统成本,

同时又不牺牲性能。

在本节课程中,我们将回顾

LLC 转换器和临界导通模式升压 PFC 转换器的

工作原理。

我们将讨论交流/直流电源系统中的

功率损耗来源,以及

减少功耗和组件数量的新途径。

首先,我们来讨论减少交流/直流系统中的

待机功耗背后的原因。

减少待机功耗的一个最主要的原因是

政府实行了更加严格的法规,

例如欧盟行为规范 2 级和

美国能源部能效 6 级法规。

而且,待机功耗

是衡量许多终端设备

(例如个人计算机、交流/直流适配器、

高级游戏机系统和高端电视等)

卓越性能的一个重要差异化指标。

左侧显示的是一个

典型的交流/直流电源架构,

它用于最高 300 瓦的应用。

该系统由三个主要模块组成:

一个提供有功功率因数校正的

单相临界导通模式 PSE 前端、

一个提供隔离式输出电压的

半桥 LLC 转换器

和一个为系统提供备用电源的

隔离型反激式转换器。

除了这三个核心模块外,

还具有一些外部功能,

例如 X 电容器放电、高电压启动

和 PFC 开/关控制。

右侧显示的是一个更新的

交流/直流电源架构方法。

您可以看到,系统中移除了

反激式备用电源。

相反,PFC 和 LLC 模块

必须能够实现高能效的低功耗模式

才能达到待机功耗目标。

另外还整合了一些外部电路功能,

例如 X 电容器放电和高电压启动,

以节约成本和空间。

该系统中的一些主要功耗来源

包括 PFC 和 LLC 模块的开关损耗、

高电压电阻分压器中的静态功耗、

静态电流消耗和反馈偏置。

功率因数是实际功率除以

交流/直流电源消耗的总视在功率

所得的比值。

要在交流/直流电源转换中

最大限度地减少 电源消耗的无功功率,

高功率因数非常重要。

最大限度地减少交流/直流 电源系统消耗的无功功率的同时,

总视在功率也会降至最低,

从而提高电网电力的

能效。

临界导通模式 PFC

也称为转换模式 PFC,它是一个升压转换器,

允许在电感电流降低至 0 后

再重新导通 MOS FET。

它在 DCM 和 CCM 之间的边界运行。

要实现功率因数校正,

CrCM PFC 监测线电压,

并调整 MOS FET 的导通时间,

以强制线电流跟随线电压。

因此,PFC 的开关频率

会随瞬时线电压的改变而改变。

为了最大限度地降低

线电压过零交叉点附近的线电流,

必须提高 PFC 的开关频率,这会导致开关损耗

增加。

开关损耗是频率以及

开/关转换期间电压和电流的函数。

当 MOS FET 的漏极存在电压时,

MOS FET 漏极和源极之间的寄生电容

储存了电荷。

MOS FET 导通的一刻,

该能量耗散,从而产生开关损耗。

MOS FET 开/关转换的频率越高,

转换器的开关损耗越高。

当漏极电压处于谷值时

导通 MOS FET,寄生电容中

储存的总能量最低,

因此在 FET 导通时的能量耗散更少,

开关损耗也更少。

这就是所谓的谷底开关概念。

此外,不在第一个谷底导通 MOS FET,

而是在第二个谷底导通,可以降低总开关频率,

从而减少开关损耗。

UCC28056 是一个使用临界导通模式

和不连续导通模式运行的

混合模式 PFC 控制器。

右侧显示的是转换器瞬时开关频率、

MOS FET 导通时间、

电感器放电时间和 DCM 时间

与输出功率之间的函数关系图。

在高功率需求期间,

控制器在 CrCM 模式下运行。

随着输出功率逐渐降低,

控制器转换至 DCM 运行模式,

其中 MOS FET 导通时间和放电时间固定。

在此运行模式下,DCM 时间是输出功率的函数。

随着输出功率逐渐降低,

DCM 时间增加,开关频率降低,

轻负载条件下的开关损耗减少。

除了支持 DCM 运行模式外,

UCC28056 还具有确定性突发模式功能,

用于在超轻负载条件下运行。

控制器进入突发模式的阈值

由误差放大器输出决定。

该策略的优点是 突发模式阈值

不受线电压影响,

因而 PFC 转换器

会在稳定的输出功率阈值处

进入突发模式。

DCM 运行模式 不但能够提升能效,

还能带来更多其他好处,

例如大幅降低线电流的

总谐波失真。

此处显示了 UCC28056 与传统 CrCM PFC

全负载范围内的

能效比较情况。图中突出显示了多模式 PFC 方法的

优势。

在轻负载条件下,

能效显著提升。

在轻负载条件下 实现更高能效的好处是

无需禁用 PFC 转换器,

也能满足严格的

待机功耗要求。

它极大地简化了 交流/直流电源系统,

无需采用 PFC 开/关控制。

LLC 转换器采用了 脉冲频率调制方案,

其中占空比固定为 50%,

通过调整开关频率

进行调节。

LLC 拓扑的 一个显著好处是

初级 MOS FET 在所有运行模式下

能够实现零电压开关,

低于谐振频率主动触发

同步零电流开关。

这些特性使得它可以在全负载范围内 实现极低的开关损耗。

我们来进一步详细 讨论 LLC 转换器

是如何实现零电压开关的。

在方块一中,高侧 MOS FET 导通,

低侧 MOS FET 断开。

当高侧 MOS FET 导通时,

谐振电感器阻止电流突然变化,

并继续从开关节点拉出电流。

因此,谐振电流

在死区时间释放

低侧 MOS FET 的寄生电容。

当低侧 FET 的 VDS 达到零时,

低侧 MOS FET 导通。

当 VDS 为 0 伏时导通 MOS FET,

就能显著减少初级侧的

开关损耗。

右侧的图形显示了不同负载条件下

LLC 功率级的 标准化增益曲线。

蓝色虚线表示

由谐振电感器和 谐振电容器形成的谐振频率。

LLC 转换器调节 LLC 谐振回路的增益,

以维持稳压, 降低开关频率

则增益增加,提高开关频率

则增益减少。

在谐振频率附近

运行时的能效最高。

UCC25630X LLC 微控制器系列

采用了新的控制方案,

称为混合迟滞控制。

该控制策略监测谐振电容器电压,

并基于此信息设定 初级侧 MOS FET 的

开/关时间。

该控制方案能够很好地实现

突发模式功能

和良好的瞬态响应。

谐振电容器电压

与一个开关周期内的 平均输入电流

成比例。

通过监测由反馈电路确定的 控制程度

以及将谐振电容器电压

整合到控制环路中,

可以针对多个开关脉冲

和突发数据包频率

优化突发模式中的开关数据包。

也可以通过反馈电路

自动调节 VCR 开关阈值,

从而快速退出突发模式。

混合迟滞控制不但能够

实现低待机功耗,

还能快速退出突发模式,

从而维持良好的瞬态响应。

这里的两个图形

比较了直接频率控制 LLC 与 UCC25630X 的

空载至满载条件下的瞬态响应。

通过混合迟滞控制,UCC25630X

的输出电压偏差 降低了 10 倍。

这里显示了通过 LCC 中的突发模式功能

实现的交流/直流电源

能效提升。

在轻负载条件下,能效提高 10%。

PMP21251 是一种 交流/直流电源参考设计,

结合了 UCC28056 和

UCC25630X 两者的优势, 达到了不到 90 毫瓦的

空载待机功耗。

在 TI.com 可以下载设计文档,

例如原理图、物料清单和测试结果。

总而言之,

通过谷底开关、DCM 运行和突发模式等方法,

可以最大限度地降低开关损耗。

可提升能效,

同时又不损害其他性能指标,

例如瞬态响应。

此外,如果能在轻负载条件下实现高能效,

则无需使用外部电路,

从而极大地简化了系统架构,

减少了物料使用数量,一举多得。 224

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削减待机功耗和系统成本

所属课程:TI HVI系列培训 发布时间:2019.05.23 视频集数:26 本节视频时长:00:13:38

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