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開關(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，人們對開關(guān)電源待機效率期望越來越高，客戶要求電源制造商提供的電源產(chǎn)品能滿足BLUEANGEL，ENERGYSTAR，ENERGY2000等綠色能源標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟對開關(guān)電源的要求是：到2005年，額定功率為0.3W～15W，15W～50W和50W～75W的開關(guān)電源，待機功耗需分別小于0.3W，0.5W和0.75W.而目前大多數(shù)開關(guān)電源由額定負載轉(zhuǎn)入輕載和待機狀態(tài)時，電源效率急劇下降，待機效率不能滿足要求。這就給電源設(shè)計工程師們提出了新的挑戰(zhàn)。

二、開關(guān)電源功耗分析

要減小開關(guān)電源待機損耗，提高待機效率，首先要分析開關(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，開關(guān)交疊損耗，PWM控制器及其啟動電阻損耗，輸出整流管損耗，箝位保護電路損耗，反饋電路損耗等。其中前三個損耗與頻率成正比關(guān)系，即與單位時間內(nèi)器件開關(guān)次數(shù)成正比。在待機狀態(tài)，主電路電流較小，MOSFET導(dǎo)通時間ton很小，電路工作在DCM模式，故相關(guān)的導(dǎo)通損耗，次級整流管損耗等較小，此時損耗主要由寄生電容損耗和開關(guān)交疊損耗和啟動電阻損耗構(gòu)成。

三、提高待機效率的方法

根據(jù)損耗分析可知，切斷啟動電阻，降低開關(guān)頻率，減小開關(guān)次數(shù)可減小待機損耗，提高待機效率。具體的方法有：降低時鐘頻率;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)切斷啟動電阻

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

(二)降低時鐘頻率

時鐘頻率可平滑下降或突降。平滑下降就是當(dāng)反饋量超過某一閾值，通過特定模塊，實現(xiàn)時鐘頻率的線性下降。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)負載大小調(diào)節(jié)頻率。

(三)切換工作模式

1.QR→PWM對于工作在高頻工作模式的開關(guān)電源，在待機時切換至低頻工作模式可減小待機損耗。例如，對于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源(工作頻率為幾百kHz到幾MHz)，可在待機時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QR與PWM切換來提高待機效率的。當(dāng)電源處于輕載和待機時候，輔助繞組電壓較小，Q1關(guān)斷，諧振信號不能傳輸至FB端，F(xiàn)B電壓小于芯片內(nèi)部的一個門限電壓，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

對于額定功率時工作在PWM模式的開關(guān)電源，也可以通過切換至PFM模式提高待機效率，即固定開通時間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，負載越低，關(guān)斷時間越長，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，在輕載時采用PFM模式的電源效率明顯大于采用PWM模式時的效率，且負載越低，PFM效率優(yōu)勢越明顯。將待機信號加在其PW/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當(dāng)負載低于某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機狀態(tài)時的電源效率。

通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現(xiàn)降低待機工作頻率，提高待機效率，可保持控制器一直在運作，在整個負載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負載從零激增至滿負載的情況下，能夠快速反應(yīng)，反之亦然。輸出電壓降和過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，也可稱為跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指當(dāng)處于輕載或待機條件時，由周期比PWM控制器時鐘周期大的信號控制電路某一環(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。這樣即可實現(xiàn)恒定頻率下通過減小開關(guān)次數(shù)，增大占空比來提高輕載和待機的效率。該信號可以加在反饋通道，PWM信號輸出通道，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)見圖7，當(dāng)反饋檢測腳FB的電壓低于1.2V(該值可編程)時，跳周期比較器控制Q觸發(fā)器，使輸出關(guān)閉若干時鐘周期，也即跳過若干個周期，負載越輕，跳過的周期也越多。為免音頻噪音，只有在峰值電流降至某個設(shè)定值時，跳周期模式才有效。

而FSD200則是通過控制內(nèi)部驅(qū)動器實現(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)果控制門極驅(qū)動輸出。我們可根據(jù)此原理用分立元件實現(xiàn)普通芯片的BurstMode功能。控制反饋通道是實現(xiàn)一般PWM控制器的可控脈沖模式的方法之一。

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

四、存在的問題

以上介紹的降頻和BurstMode方法在提高待機效率的同時，也帶來一些問題，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以內(nèi)，可能有音頻噪音。而在BurstMode的OFF時期內(nèi)，如果負載激增，輸出電壓會大大降低，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，則會導(dǎo)致成本增加，并會影響系統(tǒng)動態(tài)性能。因此必須綜合考慮。

1、前言

電網(wǎng)的損耗分為管理線損和技術(shù)線損。管理線損通過管理和組織上的措施來降低;技術(shù)線損通過各種技術(shù)措施來降低。降低網(wǎng)損的技術(shù)措施包括需要增加一定投資對電力網(wǎng)進行技術(shù)改造的措施和不需要增加投資僅需改善電網(wǎng)運行方式的措施。本文僅討論降低網(wǎng)損的主要技術(shù)措施。

2、電力網(wǎng)的改造

由于各種原因電網(wǎng)送變電容量不足，出現(xiàn)“卡脖子”、供電半徑過長等。這些問題不但影響了供電的安全和質(zhì)量，而且也影響著線損。

(1)調(diào)整不合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，架設(shè)新的輸配電線路，改造原有線路，加大導(dǎo)線截面，采用低損耗變壓器。

(2)電網(wǎng)升壓，簡化電壓等級和變壓層次，減少重復(fù)的變電容量。

3、電力網(wǎng)及設(shè)備的經(jīng)濟運行

3.1電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)的經(jīng)濟運行

電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行主要是確定機組的最佳組合和經(jīng)濟地分配負荷。這時考慮的是全系統(tǒng)的經(jīng)濟性，線損不是決定性的因素。因此，在系統(tǒng)有功負荷經(jīng)濟分配的前提下，做到電力網(wǎng)及其設(shè)備的經(jīng)濟運行是降低線損的有效措施。

(1)無功功率的合理分布：

在有功功率合理分配的同時，應(yīng)做到無功功率的合理分布。按照就近的原則安排減少無功遠距離輸送。應(yīng)對各種方式進行線損計算制定合理的運行方式;應(yīng)當(dāng)合理調(diào)整和利用補償設(shè)備提高功率因數(shù)。

(2)確定環(huán)網(wǎng)的合理運行方式：

是合環(huán)運行還是開環(huán)運行，以及在哪一點開環(huán)都是與電網(wǎng)的安全、可靠和經(jīng)濟性有關(guān)的問題。從增強供電可靠性和提高供電經(jīng)濟性出發(fā)應(yīng)當(dāng)合環(huán)運行，但是合環(huán)運行會導(dǎo)致繼電保護復(fù)雜化，從而使可靠性又受影響。開環(huán)運行應(yīng)根據(jù)網(wǎng)損計算結(jié)果選擇最佳解列點。

(3)電力網(wǎng)的合理運行電壓：

電力網(wǎng)的運行電壓對電力網(wǎng)中元件的空載損耗均有影響。一般在35kV及以上供電網(wǎng)絡(luò)中，提高運行電壓1%，可降損1.2%左右。提高電網(wǎng)電壓水平，主要是搞好全網(wǎng)的無功平衡工作，其中包括提高發(fā)電機端口電壓，提高用戶功率因數(shù)，采用無功補償裝置等。在無功平衡的前提下調(diào)整變壓器的分接頭。

在10kV配電網(wǎng)中，由于空載損耗約占總損耗的50%～80%，特別是在深夜時，因負荷低，則空載損耗的比例更大，所以應(yīng)根據(jù)用戶對電壓偏移的要求，適當(dāng)降低電壓運行。

對于低壓電網(wǎng)其空載損耗很少，宜提高運行電壓。

由此可見，在電網(wǎng)運行中，大量采用有載調(diào)壓設(shè)備可以在不同的負荷情況下合理地調(diào)整電網(wǎng)的運行電壓。

(4)調(diào)整負荷曲線、平衡三相負荷：

負荷峰谷差大，在供電量相同的情況下線損大。變壓器的三相負荷不平衡時，特別是低壓網(wǎng)絡(luò)，既影響變壓器的安全運行又增加了線損。

3.2變壓器的經(jīng)濟運行

變壓器的損耗占全系統(tǒng)線損總量的30%～60%，降低變壓器的損耗是電網(wǎng)降損的重要內(nèi)容。一般除選用節(jié)能型變壓器外，在變電所內(nèi)應(yīng)安裝兩臺以上的變壓器并聯(lián)運行。這樣既提高了供電的可能性，又可以根據(jù)負荷合理停用并聯(lián)運行變壓器臺數(shù)，降低變壓器損耗。

4、電網(wǎng)的無功補償

4.1提高負荷的功率因數(shù)

提高負荷的功率因數(shù)，可以減少發(fā)電機送出的無功功率和通過線路、變壓器傳輸?shù)臒o功功率，使線損大為降低，而且還可以改善電壓質(zhì)量、提高線路和變壓器的輸送能力。

4.2裝設(shè)無功補償設(shè)備

應(yīng)當(dāng)根據(jù)電網(wǎng)中無功負荷及無功分布情況合理選擇無功補償容量和確定補償容量的分布，以進一步降低電網(wǎng)損耗。

5、結(jié)論

電網(wǎng)的經(jīng)濟運行是降低供電成本的有效途徑。合理選擇降低網(wǎng)損的技術(shù)措施，是一項極為重要的工作。電網(wǎng)管理工作者除了懂得各種技術(shù)措施外，還需要根據(jù)電網(wǎng)實際需要，選擇比較合適的降損措施，以使事半功倍。

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（責(zé)任編輯：xy）

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