優化開關電源輕載能效的設計方案

由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開關電源在現代電子系統中的使用越來越普及。特別是隨著控制芯片的使用，開關電源的電路設計得到了極大的簡化，往往只需要在脈寬調制（PWM）控制芯片的基礎上再加一些外圍器件即可組成開關電源，這更加促使了開關電源的設計和發展。從種類來看，開關電源主要包括交流-直流（AC-DC）轉換器和直流-直流（DC-DC）轉換器兩大類型。前者是將輸入為50/60Hz的交流電經過整流、濾波等步驟將其轉換為直流電壓，后者廣泛用于對系統中的直流電源進行轉換和分配。

依據拓撲結構的不同，DC-DC轉換器包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）、反激（Flyback）、正激（Forward）、推挽（Push-Pull）、半橋（HB）和全橋（FB）等不同類型。不同類型DC-DC轉換器的特點各不相同，并且往往有著不同的適用范疇。例如，降壓、升壓和降壓-升壓轉換器非常適合于無需電氣隔離的低壓控制使用，而反激式轉換器則非常適合多輸出、高電壓的電源使用，這些使用中使用的離線式開關電源工作在110V/220V主電源，并通過使用變壓器來取代濾波電感從而實現電氣隔離。

對于離線式開關電源而言，低成本是它的一個緊要目標。對于其中所用的PWM控制器而言，設計人員可以選擇不同的架構，如固定頻率（FF）和準諧振（QR）等。對于前者而言，它的開關頻率固定，其輕載能效和滿載能效都處于正常范圍，工作模式方面可以是連續導電模式（CCM）或非連續導電模式（DCM）。對于后者而言，它的開關頻率可變，其滿載能效最佳，但在輕載時則由于谷底跳變問題（噪聲），它的工作模式是邊界導電模式（BCM，亦稱臨界導電模式，CRM）。在變壓器尺寸方面，固定開關頻率架構屬于正常，而準諧振架構則較大；但準諧振架構的電磁干擾較小，而固定開關頻率架構則較大。對于這兩種架構而言，都面臨著相同的問題，就是非得提升在更寬輸入負載范圍下的能效，并改善待機能效。

除了這兩種架構，固定導通時間（FON）架構近年來越來越多地受到業界矚目。在這種架構下，峰值電流保持恒定，且可由用戶選擇；而開關頻率則會變化（改變封閉時間），以提供所需的輸出功率，它在頻率最高時提供的輸出功率也就最大。FON的工作原理如圖1所示。

圖1：固定導通時間（FON）架構的工作原理。

與固定開關頻率架構一樣，固定導通時間架構也支持CCM和DCM這兩種工作模式。它在這兩種模式下的輸出功率計算公式如下圖所示。如上所述，峰值電流Ipeak通過控制器來保持恒定，開關頻率Fsw則由反饋回路進行控制，而要適應不同的輸出功率需求，開關頻率會發生變化來滿足圖2中的等式。在缺少回路控制（短路，啟動）時，開關頻率會被鉗位。

圖2：FON控制器在不同工作模式下的輸出功率計算。

在滿載條件下，開關頻率則會增加，直至其碰到時序電容Ct鉗位。而在輕載條件下，峰值電流減小，開關頻率下降，這就限制了可聽噪聲的問題。在輕載時，由于開關頻率的下降，與開關頻率相關的損耗，如功率MOSFET輸出電容Coss和門電荷損耗以及泄漏感抗損耗也會減少。這樣一來，開關電源在輕載條件下的能效也會提高。因此，我們也可以得出結論，固定導通時間（FON）控制器可大幅提高開關電源在輕載條件下的能效。圖3對不同PWM控制器架構進行了比較。

圖3：反激開關電源中PWM控制器所涉及的不同控制器架構比較。

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