现在的电子产品&设备,我们应用开关电源方式除了效率以外,空载或者待机功耗也变得越来越重要了!这不仅是因为各种各样的能效标准的执行,也符合实际应用的需求;特别对于一些电子电器甚至大部分的用电设备都需要长时间工作在待机状态。
我们用ac/dc的开关电源系统,不同的产品应用要求不一样,有500mw、300mw、再到100mw,后面还会要求充电器达到10mw以下功耗要求!我用fly为例来进行理论和实际的测试分析
1．分析及测试原理图
输入部分损耗
1．工作时脉冲电流会造成的共模电感的内阻损耗加大适当设计共模电感,包括线径和匝数对待机功耗也会有帮助
2．输入滤波器x电容放电电阻上的损耗;在符合安规的前提下加大放电电阻的阻值
3．热敏电阻ntc上的损耗;在符合其他指标的前提下减小热敏电阻的阻值
这里最大的损耗就来自于x电容放电的电阻。大部分的安规标准都要求1s内把x电容的电压放到安全电压以下。这样容值越大,放电的电阻就越小,损耗也就越大。举个例子,0．47uf的电容并联3．3m的电阻,230vac条件下的空载损耗就有～18mw。
在实际应用中对于输入滤波器主要来解决产品emi-传导的问题;开关电源系统越大的功率输出等级,需要采用的滤波器的阶数会大于1阶;特别是越靠近150khz的低频段emi干扰采用x电容差模滤波是最有效的。
注意:更大的x电容会影响我们系统待机时的待机功耗;我提供测试数据参考:
a．输入滤波器x电容总共使用3 pcs/0．47uf在220vac无负载测试数据
b．输入滤波器x电容总共使用4 pcs/0．47uf在220vac无负载测试数据
c．输入滤波器x电容共使用4 pcs/0．47uf+0．68uf在220vac无负载测试数据
结论:从上面的测试数据先优化输入部分的损耗-合理设计输入滤波器也会有挑战;当然开关电源-ic的功能&控制技术对待机功耗的优化同时也会是挑战!
4．整流桥的后面在母线上会有几个高压器件,需要特别注意漏电流的大小!300v的母线每10ua就产生3mw的损耗。
半导体器件一般来说都还好,比如整流桥、mosfet,关断时的漏电基本都在1ua以下。高温情况下会大一些;但在空载损耗基本也只看常温条件,没有负载电路本身也没热量产生。电解电容的漏电在有些情况下就不能忽略了,电容越大漏电流越强,基本上是和cv成正比关系的。而且电容的质量参差不齐,质量差的电容漏电流要大好几倍。可以测试一下如果达到10ua这个数量级了使用的时候要注意。
5．对于开关电源ic-fly我们需要做低待机功耗功能时;至少要先一个有内置高压启动电流源的控制机理!如果没有的话,就需要外围电路进行实施。一些没有高压引脚的芯片也提供一个控制引脚来连接外置的高压开关管;如果是这样的方式;系统的bom会复杂!当然还是建议使用者优先选择有低待机功能的ic控制器 实施控制方便有更好的可靠性!
本测试原理的控制方式如下:
芯片本身的功耗是icc*vcc/Ƞ。icc是工作电流,vcc是工作电压,Ƞ是转换效率。因为芯片稳定工作的工作电压一般都来自辅助绕组,所以Ƞ取决于开关频率和功率电路的设计,后面也会陆续提到影响转换效率的一些因素。
从目前我了解的情况分析,ac/dc类的功能电源芯片,只要功能不是特别复杂的,icc都应该能做到ua这个数量级。只有一些很复杂的芯片,比如pfc+llc combo这种,或是大功率电源中所采用的数字芯片耗电才会在ma级别。特别大功率的电源有时会采样辅助电源的方式来解决待机功耗设计问题!
vcc则是取决于辅助绕组的设计。为了是芯片功耗最小化,设计的时候当然应采用尽量低的供电电压。只是要注意辅助绕组提供的电源一般会随着负载减轻而降低。必须保证vcc在空载条件下也能保持在最低工作电压以上。
芯片的控制方式可以说是决定待机功耗最重要的一环。
轻载或空载状态下,开关损耗在转换效率中占主导地位。
因此为了降低待机功耗,大部分电源芯片都采取轻载降频的控制方式。fly架构现在比较流行的一种复合控制模式:重载时采用pwm,随着负载减轻频率下降,在接近空载的区域采用burst的工作模式进一步降低开关频率(如上图示)!
这种控制方式在实际应用中有一个矛盾需要考虑。理论上来说保持最大的ipk可以在空载状态下获得最低的开关频率(1/2 *lm*ipk^2*fs)。但开关频率在20khz以下就会有噪音的问题,从这个角度来看就需要ipk越小越好。因此在实际应用的时候就需要找到最佳化的设计了。
实际上burst的方式也有一些细节是值得注意的。
每隔100ms连出10个开关和每10ms出一个开关,看起来平均频率是一样的,但转换效率会不会有差别呢注意是会有一些区别的。请关注下面的测试data!!
注意:fly电源中,有rcd钳位电路中的能量每次burst都是充满再放完的,这样的话连续出的开关数多一点会比较好。
llc的情况会不一样,因为llc的burst基本前一两个周期把能量已经都输出来了,后面再开关基本上只剩励磁电流了,换句话说后面出的开关都是在做无用功,除了产生开关损耗外没别的了。这样就是连出的开关数少一点会比较好!
6．变压器的损耗
由于待机时有效工作频率很低,并且一般限流点很小,磁通变化小,磁芯损耗很小,对待机影响不大,但绕组损耗是不可忽略的。
变压器绕组引起的损耗;
绕组的层与层之间的分布电容的充放电损耗(分布电容在开关mos管关断时充电,在开关mos管开通时放电引起的损耗。)
当测试mos管电流波形时,刚开启的时候有个电流尖峰主要由变压器分布电容引起。改善方法:在绕组层与层之间加绝缘胶带,来减少层间分布电容。
7．开关管mosfet上的损耗
mos损耗包括:导通损耗,开关损耗,驱动损耗。其中在待机状态下最大的损耗就是开关损耗。
改善办法:降低开关频率、使用变频芯片甚至跳频芯片(在空载或很轻负载的情况下芯片进入间歇式振荡)
8．整流管上的吸收损耗
输出整流管上的结电容与整流管的吸收电容在开关状态下引起的尖峰电流反射到原边回路上,引起的开关损耗。另外还有吸收电路上的电阻充放电引起的损耗。
改善方法:在其他指标允许的前提下尽量降低吸收电容的容值,降低吸收电阻的阻值。
当然还有整流管上的开关损耗、导通损耗和反向恢复损耗,这应该在允许的情况下尽量选择导通压降低和反向恢复时间短的二极管。
9．输出反馈电路的损耗
如上图采用tl431+光耦的控制方式如产品有专门的待机模式(待机功能)选择更合适的待机输出电压,可以使系统的待机功耗进行最佳化设计!
注意:原边反馈和副边反馈的芯片在待机功耗上的表现也是有所区别的;
原边反馈的好处是省了光耦和tl431,但可以说的优势就是降低了空载损耗,因为光耦和tl431也都会让系统有损耗!
上面是一个典型的副边反馈的配置,空载状态下典型的偏置电流都在500ua-1ma之间,那么假设副边和辅助绕组的供电都是12v的话,这里就产生了10-20mw的损耗!记住还要考虑转换效率!如果降低到如上图的9v输出的话,就会再降低点功耗;目前是我们通常的设计方法!
如果说减小偏置电流来降低这部分损耗;注意:满载时的偏置电流比空载时还要小很多。这样做可能会影响整个的环路的稳定性能!
10．rcd吸收电路设计分析
rcd是比较常用的吸收电路,主要是吸收漏感的能量以限制开关管上的尖峰电压。rcd如果做的太强的话会对效率有很明显的影响,那自然也会影响轻载效率和待机功耗。
如果考虑到待机状态下电源都是工作在极低频率的burst状态下的话,实际上c的大小对待机功耗的影响比r要大得多,因为每次c都会充满再放光的。这部分能量就像一个假负载挂在那里 一样,后面用测试data来进行评估!
从这个角度出发有一种做法是把c彻底拿掉,用一个tvs来代替这样就拿掉了这个假负载!
下面我再来对实际的应用产品进行测试数据给出参考data!
说明调测待机功耗时=与下列参数有关:系统功率接近75w设计!
a．vcc绕组空载的最低电压,辅助绕组的限流电阻(绕组端)决定ic的空载电压过低ic-hv会启动影响待机功耗,过高负载电阻会消耗功耗,推荐10v-vdd;
b．注意tl431的补偿参数的影响
c．pc817b/a: 考虑光耦的电流传输比问题
d．rcd吸收回路中;电容c=2200pf常用,c略大会增大待机功耗(比如4700pf)
e．mos管的限流功率电阻:取值要求90vac输入时 1．3倍的过载保护设计!
最后一项会决定待机的脉冲的间隔时间空载的间隔时间>10ms(基本要求)
注意检查待机功耗时;25khz的的脉冲数要小于5根 空载间隔时间>10ms
2根脉冲就将待机调到极限!12v输出带10ma负载间隔时间>5ms(基本要求)
以下进行数据实测:无负载&极轻负载状态
2．实际的数据测试参考(tl431及光耦设计电路标准化)保证可靠性前提!
a．rcd吸收电路c=2200pf 电阻r=100k/2w
ch1:vdd(ic) ch2:drv(ic)ch3:cs(ic) 5根脉冲;间隔时间14．58ms
b．rcd吸收电路c=4700pf 电阻r=100k/2w
ch1:vdd(ic) ch2:drv(ic)ch3:cs(ic) 5根脉冲;间隔时间14．38ms
c．rcd吸收电路c=2200pf 电阻r=100k/2w 12v/10ma
ch1:vdd(ic) ch2:drv(ic)ch3:cs(ic) 5根脉冲;间隔时间5．568ms
d．rcd吸收电路c=4700pf 电阻r=100k/2w 12v/10ma
ch1:vdd(ic) ch2:drv(ic)ch3:cs(ic) 5根脉冲;间隔时间5．4720ms
我通过简单的实战测试提供对fly-开关电源系统的待机及轻载时的功耗进行测试,可以快速指导优化无负载及极轻负载的功耗分析思路!如果你想追求极限可以通过理论加实践试试吧。
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杜佐兵
电磁兼容(emc)线上&线下高级讲师
杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册emc工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及led背光驱动设计。
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