摘要：

在現在能源越來越緊張，是提倡電源管理和節省能量的時代，降低電源供應器在待機時的電能消耗顯得越來越重要和緊迫。目前已經有一些可以降低開關電源供應器在極輕載或無載時的功率損耗，和其它額定損耗的實際方法被提出來。本文主要以反激式開關電源轉換器為例討論如何降低開關電源的空載損耗。最后是各集成控制器廠商針對降低空載損耗所開發出的10W左右輸出功率的產品的簡介和比較。

關鍵詞：開關電源、空載損耗、開關損耗

針對目前能源越來越緊張，各國政府針對空載損耗(即輸出為空載時的輸入功率消耗，又稱待機損耗)都相繼出臺了相關的法律法規，如美國的“能源之星”(EnergyStar)，聯邦政府采購指令(FEMP)，德國的“藍色天使”(BlueAugle標準，歐洲經濟協會(EEC)的EU指令和中國節能產品認證委員會(CCEC)認證標準等。其中EU指令最為詳盡，制定了嚴格的規范，表一所列是在不同的額定瓦數下的詳細規定。很快的，在各個層面都會采用低于1W待機功率損耗的電源。

表一：歐洲經濟協會對無載的消耗之規定

損耗分析?

以下就以圖一中典型的反激式轉換器(fly-back converter)為例，來分析電源轉換器的損耗。因為反激式轉換器電路簡單、成本低和寬電壓輸入的優點，在實際應用層面受到歡迎。對一個反激式轉換器而言，主要的損耗包括了開關損耗(switching loss)和傳導(conduction loss),以及由控制電路所造成的損耗。表二、三、四分別對這些主要損耗，包括主要的開關損耗、傳導損耗和控制電路所造成的損耗，列出了大約的估算，和常用的解決對策。

?圖一? 典型的反激式轉換器

表二 主要的開關損耗

表二 主要的開關損耗

表三 主要的傳導損耗

?表四 控制電路的主要損耗

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可以很時顯的發現無論是開關損耗還是傳導損耗，都和開關頻率有很密切的關系。降低開關頻率可以有效的降低損耗，特別是在輕載時。但由脈寬調整產生器所產生的脈沖寬度必須被控制，以避免造成磁性組件的飽和。而且，反激式轉換器的輸出能量可以表示為Po=（Vdc2xTon2）/（2xLpxT）xη，其中η代表轉換效率。為了降低輕載功率損耗，在輕載時，導通時間（Ton）很短暫，增大開關周期（T）或降低開關頻率（fs），一個最簡單的辦法就是降低開關頻率。

降低開關頻率可以有效的降低電源損耗。最近有許多實際降低頻率的方法被提出來。SGS-Thompson及National Semiconductor提出脈沖省略（Pulse skipping）的技術，根據負載的輕重程度，來決定省略開關脈沖與否。圖二表達了脈沖省略模式的概略念，等效降低開關脈沖數目來滿足在輕載的低損耗要求。

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圖二?? 脈沖省略的概念

Philips提出突沖模式（burst mode）的技術，或稱打嗝模式（hiccup mode）或省略周期模式。如圖三所示，當負載突然間下降，控制迦路要求縮短Ton，在某一個負載程度下，脈沖模式的控制電路開始防止導通時間Ton減少，然后同時也載始周期性的遮蔽波調變的脈沖。電源可以透過降低脈沖群寬度，或增加遮蔽周期長度，在不同的負載下，達到節省能量的目的。

圖三? 突沖模式的概念

崇貿科技（System General）提出了非導通時間調變（offtime modulation）。圖四表示了非導通時間調變的基本概念，當輸出電壓掉到臨界位準以下時，非導通時間（off time）隨著負載下降而線性增加，開關頻率因而線性下降，因此在輕載和無載時可以降低功率損耗。非導通時間調變之動態響應應該比脈沖省略模式來得好，因為這是非導通時間是一個周期接一個周期調整。

圖四 非導通時間調變之概念

降低起動損耗

傳統的起動電路圖如圖五（a），大的輸入電阻（R1）可以有效的降低電阻性損耗，但啟動延遲時間將會延長。在圖五（b）是所提的建議電路，為了可以降低在輸入電阻（R1）所造成的始起損耗。其中大的輸入電阻可以和小的電容C1一起使用，確保啟動延遲時間夠短，而大電容（C2）是用來提供穩定電壓給VDD。使用這種始電路，起動損耗可以非常低，啟動時間也可以非常短。

?（a）傳統電路?????????????????????????????? （b）建議電路

圖五 起動電路

實際應用

輸出功率10W左右的開關電源轉換器在便攜式產品的充電器、個人計算機上的待機電源等上的應用已十分普遍。由于空載損耗的要求，加之市場對電源的集成度要求也越來越高，許多電源管理芯片廠商紛紛推出集成控制器，即把脈沖寬度調制控制器和MOSFET封裝在一個IC內。下面就以此類型IC中性能相近的ON Semi的NCP1014、ST的VIPer22A、Fairchild的FSDM0265、PI的TNY256、Infineon的IEC3B0365J和Sanken的STR-A6159為例作簡介和對比。

各種針對降低空載損耗的IC的出發點都是一樣，即在空載時盡量減少開關次數，即降頻，降頻的具體方法前面已有介紹，目的是使開關器件工作時間僅在一個非常短的工作區，而大部分時間都是沒有工作的區域。需要注意的是降低空載時需同時須兼顧到輸出電氣特性和EMC。

對于集成控制器而言，影響轉換效率的最大因素在于其內部的MOSFET，而導通損耗會占到MOSFET工作時的大部分，所以其內部MOSFET的導通電阻Rd son可作為設計轉換器的一個參考指標。Rd son越低，表于MOSFET在導通時間消耗的能量越少。表五列出了各廠商的集成控制器在Tj=250C時的Rdson。

表五? 各廠商的IC在Tj=250C時的Rds on

經實際實驗證明，這各廠商的集成控制器各有千秋，但在降低空載損耗都有不俗的表現，均可以達到相關法規要求。圖六是筆者收集整理的實驗后待機功率的參考數據，可供大家參考。

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圖六 經實驗后空載功率的參考數據

結論

這篇文章探討降低開關電源轉換器空載損耗的方法。首先以數學描述大略估算了主要的

開關、傳導和控制電路損耗，進而確認降低開關頻率為降低待機功率的主要方法，接著介紹各項已經被專利的降頻技術，及其可能的缺失。另外也介紹一個改進后的開關電源啟動電路，以降低啟動電阻的損耗。最后是較常用的各集成控制器廠商針對降低空載損耗所開發出的10W左右輸出功率的產品的簡介和性能比較。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的如何降低开关电源空载损耗的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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