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(多图) AC/DC电源的性能和国际能效标准

Scott Brown?? Dialog半导体有限公司电源转换事业群营销部副总裁?? 2015年02月10日 ?? 收藏0
随着国际电源能效标准的限制日趋严格,电源控制器的性价比已逼近它们的极限。既要满足这些新标准的要求,同时又要提升性能和降低成本,这种挑战已迫使市场转向一些新的颠覆性技术。新的设计技术现在能够让AC/DC转换器在不牺牲其性能(尤其是负载瞬态响应时间)的情况下,满足严格的DC能效要求。本文将探讨这些新的电源能效标准对电源控制器提出的要求,在维持输出质量、以及不增加成本和复杂性的情况下提升性能的最新设计技术。

国际电源能效标准

美国能源部(DoE)于2007年颁布的外部电源能效标准对空载功耗以及负载为额定负载电流25%至100%时的平均能效提出了一整套严格的要求。欧盟和全球其它国家也颁布了类似的标准,但DoE的标准是最严格的强制性标准。2014年2月,DoE更新了外部电源标准后,进一步严格规范了离线电源的能效和空载功耗。通过限制电源的最大空载功耗,该标准迫使电源制造商降低电源空载时来自市电的输入电流。虽然在待机时限制控制电路的电流能够节省电能,但它也影响了电源从空载迅速过渡到满载的能力,而在这个永远在线的消费电子世界中,这个特性一直被我们视为是理所当然的。

负载瞬态响应时间 – 大信号响应时间和工作电流

负载瞬态响应时间直接影响输出电压的质量;较快的响应速度有助于减少输出电压偏差,而且不必使用多余的输出电容器;较慢的响应速度则反之。使用低功耗控制器时,响应速度通常较慢,从而迫使电源不得不依赖外部组件来响应输出电流的变化。负载瞬态响应时间实际上是控制环路的大信号响应时间,整合了小信号稳定性和一些大信号因素,例如,控制电路能够迅速转换放大器和驱动器的输出。如果器件的转换速率较低,而且小信号带宽也较窄,输出响应负载变化的速度也较慢。

电子器件中的一些基本关系是通用的,虽然这不一定是绝对的。例如,工作电流很小的运算放大器或对比器转换输出的速度与工作电流较大的器件一样快。随着电流的下降,传播时延也会增加,因为用于降低电流的各个级联输入级将增加信号穿过电路的时间。对于AC/DC转换器,输出变压器的反射阻抗所产生的复杂性以及寄生电感的特性增加了分析大信号响应时间的复杂性。通过关注控制器自身能够做什么,而不去考虑主动无源组件的改变,我们就能有最大程度的电源性能提升,并降低工作电流。

负载瞬态响应时间分析

当任何电源的输出电流发生变化时,多个因素将影响电源输出响应负载变化的速度和精度。通过将电源视作一个黑盒子-非理想电源,我们可以分析出是哪些因素决定了响应时间。

图1显示了一个常见的负载变化以及其输出如何响应这个变化。假設这个模型为一黑盒子,其输出电路是一个黑盒子电源,配有一个使用等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和额定容量建模的输出电容器。根据输出电流的转换速率以及输出电容的ESR和ESL,由于电流的瞬时增加导致输出电压迅速下降。电压瞬时下降的原因是输出电容的ESR,而这个初始尖峰的恢复特性则取决于ESL。

图1  瞬态响应时间分析
图1 瞬态响应时间分析

合理选择ESR和ESL较低的旁路电容能够将这个初始尖峰趋近于零。一旦输出电容开始向输出端提供电流,电压将根据输出电流和输出总电容下降(dV = (I/C)*dt)。输出电压的下降幅度完全取决于电源响应变化并开始向输出电容器和负载提供电流的时间(dt)。一旦开始向输出端提供电流,输出电容将充至标称输出电压,并提供一个较小的输出偏移量。这个输出偏移量通常被称为负载调整率,而且通常取决于控制环路的增益特性。系统中的增益越大,对负载的电压输出精度就越高。

反激式转换器中所使用的控制器可以是模拟或数字控制器。这两种技术均用于完成相同的功能,但所采用的方法截然不同。模拟控制器使用模拟放大器监测来自输出端的反馈,以便生成一个误差信号,然后将其与一个参考信号进行对比,并对输出级进行调制,以使输出电压返回到调节状态。数字电路将模拟反馈信号转换为数字形式,然后将该字与一个已设定的对比点进行对比,再使用比例-积分-微分(PID)过滤器对输出进行调制,以调节输出电压。从黑盒子的角度而言,它们完成了相同的功能,但黑盒子内部却是两个截然不同的世界。

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AC/DC电源? 国际能效标准? 负载瞬态响应时间? 数字控制器?

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