2015电源设计研讨会: 小功率的AC/DC变换器的控制难题(2)

那么第三部分 我们看一下待机功耗的一个这样的一个要求 待机功耗我们如何来实现 比较低的一个待机功耗 首先我们看待机功耗的一个构成 那么首先我们知道 因为芯片可以需要支持 最低的一个开关频率 有一个最低的一个峰值电流 所以它每个周期都有一定的能量 需要传递到副边去 那么第二个部分就是 启机线路上面的损耗 第三部分就是它的一个 漏感上面的一个损耗 那么，首先我们是认为开关就是 首先我们认为就是 每个周期所传递的能量是占主导地位的 那么这部分传递的能量包括了 传递给输出的一个假负载 以及辅助绕组的一些能量 那么如果这个线路需要 有启机电阻的话 那么启机电阻的损耗可能同样非常大 我们来看一下启机的 启机线路上面的一个损耗 那么启机线路有两种方式 第一种方式就是电阻 电阻启机 第二种方式就是支持高压启动 由内部的一个电流源来进行启动 那么电阻启机的时候就是直接通过一个电阻 接到输入电压以及芯片的一个 VDD 通过电阻来给 VDD 充电 VDD 充到芯片的一个工作电压之后 有辅助绕组接着对它进行充电 对它进行供电 那么我们可以看到 这一点 VDD 的电压可能也就最大 20V到30V的样子 那么芯片 那么启机电阻上的损耗就会变得非常的大 那么第二种方式就是就是有源启动 那么这样的一个方式就是启机了之后 这个恒流源会被关掉 那么这个时候就没有启机方面的一个损耗 那么对于一个待机功耗 低待机功耗所必须有的 一定是低的一个每个周期 所传递的一个能量要低 那么所以它的一个开关的 一个频率要非常的低 那么开关频率低的话需要有两种办法 第一种办法就是 burst mode 第二种办法就是它的一个固定的一个开关频率 那么 burst mode 的话 跟固定的开关频率的话 那么 burst mode 显然每两个脉冲之间的 一个间隔会更长 那么它的动态会更差 那么待机功耗跟输入的一个 跟输入能量的每个周期 传递能量的这样的一个关系 我们可以通过下面这个公式来计算出来 那么它跟它的一个幅值 幅值比 也就是说最小 最小峰值电流和最大峰值电流的这样一个比值 以及它的一个最低支持最低开关频率 和你设计的一个最高开关频率的 这样一个比值成正比 那么这是每个周期最低的一个储存的能量 那么储存能量 另外一个就是开关管的这个结电容 对待机功耗的影响 那么开关结电容每个周期 所需要传递的存储的能量 是它的容值乘以输入电压的这个平方值 那么其中的一部分是损耗掉了 另外一部分是通过谐振的方式传递到输出去 那么这是我们计算的一个结果 那么从中可以看到 从中可以看到是在轻载的时候 最低的一个每个周期储存的 最低的能量 以及传到输出的一个能量这样的一个值 那么，因为我们每个芯片 我们这个芯片我们这个设计 每个之间都有最小的一些能量 需要传递到输出中去 那么这部分的能量 可以通过这个式子来计算出来 它跟你的开关频率以及幅值比 以及我们所刚才说的 一个结电容上储存的能量有关系 那么所以说每个周期 有最低的一部分能量传导输出去 如果你的输出的负载非常的轻 不够消耗掉这部分能量的话 那么你的输出电压就会往上飘 所以我们在大多数设计的时候 输出都要加一定的假负载 来消耗掉这部分能量 很多时候我们发现原边反馈 在空载的时候 电压往上飘 有一个可能的原因 就是你的假负载还不够大 那么这个是我们实验的时候 得出来的一个待机功耗和 动态的这样的一个实验结果 那么我们可以看到在动态小于10%的时候 我们的开关频率需要大于1.2k 那么对应的一个待机功耗是12mW 那么右边这张图上是 不同的输入电压对待机功耗的影响 不同的输入电压对待机功耗的影响 那么输入电压越高 待机功耗越大 开关频率会越低一点 那么我们稍微回顾一下 小功率反激变换器的一个控制的一个方式 那么反激变换器包括断续模式 包括它的变频断续模式 它可以在整个负载范围内 对效率有一个更好的 一个更好的一个效率 那么原边反馈可以提供 非常好的一个输出恒压和输出电流的一个恒流 但是它的一个动态的的特性会比较差 那么待机功耗可以从下面三个方面来提高 第一，就是降低你的开关频率 第二，就是用比较低的一个辅助电压 以及比较好的开关的一个线路 第三就是你的开关的结电容需要越小越好 那么最后我们会比较一下 不同的一个控制器对于一个反激变换器的 一个性能的一个影响 那么我们设计的一个指标 是85V到265V 那么5V 2A的这样的一个10W的反激变换器 那用三种模式来控制 第一个就是 第一种模式就是断续定频 那么通过光耦反馈 第二种模式是断续原边反馈 变频的这样的一个设计 第三种就是断续带光耦反馈变频 这样的一个设计 那么它所有的一个设计的一个最大的开关频率 都是一百k左右 那么它使用的变压器功率器件都一样 都相同 那么这是一个它的一个设计的一个图 那么它包括五个部分 第一个部分就是启机电阻 启机的线路 第二个部分就是它的一个 VDD 所需要的一个电容 第三部分是 TL431 和光耦 那第四部分就是它的一个控制输出 输出的一个滤波输出电容 那么第五部分就是最小导通时间这样的要求 要求一个 turn on 在空载的时候 ture on 这个电阻的一个要求 那么这是一个 DCM 定频的一个设计实例 那么这是 DCM 变频的一个原边反馈 这样一个设计实例 它不需要 它支持高压启动 不需要启机电阻 那么所需要的一个 bias 的电容也非常的小 那么原边反馈也不需要光耦和431 但是因为动态的要求 它的输出的一个电容会比较大 那么这是一个断续变频的 一个带光耦反馈的这样的一个线路 它同样不需要输出的 输出不需要启机的一个电阻 那么它的 bias 的电容也相对比较小 它有光耦和431改善了它的一个动态的特性 那么因为有光耦和431改善它的动态特性 它的输出电容的要求也会比较小 那么这是三种模式下 三种控制方式 这个 demo 板的一个照片 那么我们看它的一个性能 首先就是它的一个输出 load 的一个 regulation 我们可以看到在整个负载范围内 原边内带反馈的一个定频和变频的一个控制 输出的一个调整率非常的好 那么原边反馈的这样一个调整率 在0.993到1.006之间 它的一个 regulation 可以保持在±1%之内 那么第二 它的输出的一个过载的 一个保护过载保护的话 红色的是断续定频的这样的一个控制模式 因为这这种模式只能实现输出恒压 那么输出过流的话 它是通过原边的一个峰值电流的一个限制 做 cycle by cycle 的这样的一个控制 所以从输出表现上来看 就是它的输出负载 输出电流可以一直往上加 但是它的电压在往下跌 而我们的一个原边反馈 以及原边反馈带光耦的这种控制模式 可以实现输出恒压和输出恒流两种特性 那么它的效率我们可以看到 在一个原边反馈的一个 定频的这样一个方式是最差的一个效率 它的一个损耗也是最大的 那么它的一个待机功耗 那么定频的这样的模式 在高压的时候甚至可以达到800mW 那么原边反馈可以实现 小于20mw的一个待机功耗 那么原边反馈变频带光耦的那种方式 它的待机功耗可以做到70mW左右 那么我们再看它的一个动态的一个特性 那么原边反馈它的一个动态特性 从0到2A的时候这是一个红色的一个虚线 它的特性可能会跌得会比较多 但是我们知道它的动态的一个原理 是因为轻载的时候 它的频率非常低 我们如果测试从10mA到2A的时候 它的输出 它的动态特性已经可以非常好了 那么右边这张图就是定频的带光耦反馈的 那么它的动态会非常的好 那么这是我们的一个设计的一个实例 它的一个体积是1英寸×1英寸 那么原副边 这是原副边紧紧靠着变压器的两个输出绕组来连接 没有光耦没有反馈线 没有其它的一个线路 那么它可以达到80%的一个效率 那么它设计的名字叫 PMP8363 大家可以在 TI 的网站上来搜索这个数字 PMP8363 可以得到它的所有的一个设计文档 包括它的原理图 包括它的一个测试报告 以及它的 pcb 那么我们最后看一下 测试的一个 比较的一个总结 那么断续定频的时候 它所有的一个输出性能非常好 但是它实现不了输出恒流 那么它的器件也非常的多 那么因为是反激变换器 它的成本整个来说会比较低 那么原边反馈的时候 它除了动态会比较差 然后输出精度±5% 不如带反馈的±2% 那么它的器件数最最少 然后成本会最低 那么断续带反馈的一个控制方式 它基本上是结合了上面所有的一个优点 它可以实现比较好的一个调整率 也实现 可以实现比较好的一个动态的一个特性