开关电源的耗能控制

2020-05-23      873 次浏览

交直流开关电源处理芯片,选择原副反应和副反应拓扑,用于适配器、手机充电器等电源。通过限制供电系统的最大空载功耗,当电源停止供电时,该标准迫使电力制造商减少来自城市的输入电流。虽然在待机期间限制控制电路的电流可以节省能源,但它也影响电源从空载快速过渡到满载的能力,这在当今永远在线的消费电子产品世界中是理所当然的。


负载瞬态响应时间——大信号响应时间和工作电流


负载的瞬态响应时间直接影响输出电压的质量。更快的响应速度有助于减少输出电压的偏差而不使用冗余输出电容器。缓慢的响应速度是相反的。使用低功率控制器,响应速度通常是慢,迫使电力必须依靠外部组件响应输出电流的变化。负载暂态响应时间实际上是控制回路的大信号响应时间,它集小信号稳定性和一些大信号因素于一体。例如,控制电路可以快速转换放大器和驱动器的输出。如果装置的转换速率较低,且小信号的带宽较窄,则对负载变化的输出响应也较慢。


电子设备中的一些基本关系是常见的,但不一定是绝对的。例如,具有极小工作电流的运算放大器或比较器转换输出的速度与具有较大工作电流的设备一样快。AC/DC变换器,反映了输出变压器阻抗分析的复杂性和寄生电感的特性增加了大信号响应时间的复杂性。通过关注控制器本身在不考虑有源无源元件变化的情况下所能做的事情,可以最大限度地提高功率性能,减少工作电流。


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,有几个因素会影响输出功率对负载的响应速度和精度。通过将功率视为一个不理想的黑匣子,我们可以找出决定响应时间的因素。


假设模型为黑箱,输出电路为黑箱电源,输出电容采用等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和额定容量建模,瞬时电压输出电容下降ESR的原因,和最初的恢复特性依赖于英语。


合理选择ESR和ESL的低旁路电容可以使初始峰值达到零。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(dv=(i/c)*dt)下降。输出电压下降的幅度完全取决于功率响应的变化,时间(DT)开始向输出电容和负载提供电流。一旦向输出端提供电流,输出电容就被充电到标称输出电压上,并提供较小的输出偏移量。输出偏移通常被称为负载调节,通常取决于增益特性控制电路。系统的增益越大,负载的电压输出精度越高。


反激变换器中使用的控制器可以是模拟控制器,也可以是数字控制器。这两种技术用于完成相同的功能,但使用的方法非常不同。AC/DC电源的性能与国际能源效率标准的反馈,为了生成一个错误信号,然后与参考信号,调制,输出级为了调整输出电压返回状态。数字电路将模拟反馈信号转换成数字形式,然后将字与设定对比度进行比较,然后使用比例积分微分(PID)滤波器来调整输出电压。从黑匣子的角度来看,他们做同样的事情,但是在黑匣子里面有两个非常不同的世界。


模拟控制器


具有模拟技术的功率控制器已经发表了几十年。作为一种众所周知的技术,模拟控制器的优点和缺点已经被讨论了很长时间。作为任何模拟控制器的核心(图2),传统的误差放大器的性能取决于偏置电流。虽然在极小的偏置电流下实现更高性能的技术确实存在,但牺牲晶片空间是有代价的。然而,一旦您限制这些模拟控制器的电流,以符合最新的严格能源效率标准,他们的响应时间将大大延长。通过分析输出负载的瞬态响应时间和控制回路响应时间对输出电压质量的影响,可以看出输出电压的完整性越快,输出电压的完整性就越高。


数字控制器


数字控制器和模拟控制器的功能是相同的,但是盒子里面的东西完全不同。一个典型的数字电源控制器由一个PID滤波器,数字参考咨询、数字脉冲宽度调制(PWM)信号发生器和输出驱动程序。它将反馈信号转换成数字列,然后将数字列与数字参考点进行比较,并使用PID滤波器确定数字PWM电路将输出到主电源装置。标准的基于PID的数字控制器对复杂的变化响应缓慢,除非它们使用极快的ADC和非常高的时钟频率数字核心。该方法是可行的,在负载总是很大的大电流应用中,可以获得较快的响应速度。然而,在负载较轻的情况下,与模拟控制器类似,简单的数字控制器将无法满足更高的性能要求。


一个标准的模拟控制器和数字控制器相比,没有理由在两个端点之间存在电路显著的性能差距。然而,数字设计已经发展到这样一个程度:控制器设计可以增加一些难以实现自由度的模拟控制器。与数字PID控制模块并行的模拟或数字电路可以显著改善电路性能。简单的模拟控制器很难实现,因为附加的控制电路会严重损害频率补偿。在模拟控制器中,控制回路很难稳定,许多并联回路需要非常复杂的补偿机制,这通常会导致不可接受的权衡,以实现稳定性。无论在DCAC/DC/DC控制器控制器,有同样的问题。快速动态载荷响应的影响


与快速的动态负载响应函数不仅在维持电压稳定所需的最终应用程序,规范和性能有明显的优势,而且还可以减少维护大容量所需的输出电压,为了缩小电路的规模和成本。一个需要高性能、低成本和符合国际能源效率标准的典型应用程序是用于智能手机充电的USB兼容输出,并用于脱机输入电压适配器。


电源转换事业群(前iWattInc.iW1760符合USBBC1.2规范以及能源部2014年2月发布的最新能效标准和欧洲联盟发布的最严格的能源效率标准“行为守则第5版,第2层”。图4显示了10WUSB充电应用程序中iW1760的响应时间:输出响应6ms内的2A负载变化,将输出电压保持在USBC1.2AC所要求的范围内,并留下一定的裕度。


更快的响应组件可以用更少的电容器实现较短的响应时间,同时满足能源效率标准的要求。


数字技术开创了电力设计的新时代,甚至可以为那些不精通电力供应的设计工程师提供灵活易用的解决方案。数字电源管理技术的进步使人们能够在不牺牲性能的情况下快速响应,并使用于消费电子应用的电源适配器能够满足国际能源效率法规的要求。


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