在各種負(fù)載條件下保持高效率的電源控制器

Power Supply Controller to Keep Efficiency High Across All Loads

??? 此文章先發(fā)表在美國(guó)的“Electronic Design”2001年12月刊，香港科匯（亞太）有限公司（Memec）得到此雜志的轉(zhuǎn)載許可，并做了翻譯。

??? 過去數(shù)十年中，傳統(tǒng)的模擬和脈寬調(diào)制（PWM）功率轉(zhuǎn)換器完全能滿足電源設(shè)計(jì)的要求，但近來似乎遇到了困難。為了使轉(zhuǎn)換效率那怕提高1％，也需要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相關(guān)元器件和電路設(shè)計(jì)等方面做出重大改進(jìn)。在系統(tǒng)和市場(chǎng)需求不斷推陳出新的壓力下，電源設(shè)計(jì)師們開始尋求一種能在各種工頻和負(fù)載條件下都更靈活、更可靠且性能更出色的產(chǎn)品，當(dāng)然希望能在不增加成本的前提下，獲得這一切。

??? 利用半導(dǎo)體先鋒iWattInc公司研發(fā)的數(shù)字技術(shù)，一種新型的功率轉(zhuǎn)換控制器不僅能做到這些，而且使電源具有了前所未有的靈活性和可編程能力，這是傳統(tǒng)PWM和其它模擬方法所無法實(shí)現(xiàn)的。這些控制器能顯著改善AC/DC和DC/DC功率轉(zhuǎn)換方案的整機(jī)成本和性能，包括隔離和直接耦合轉(zhuǎn)換器。

??? iWattInc公司開發(fā)了一種名為“pulse Train”的專利穩(wěn)壓技術(shù)。應(yīng)用這一新技術(shù)，iWatt公司推出了一系列新的數(shù)字化開關(guān)電源（SMPS）控制器。iWatt公司希望這些新產(chǎn)品能克服老式技術(shù)的各種缺點(diǎn)，為電源設(shè)計(jì)數(shù)字化鋪平道路。

??? 測(cè)試表明，對(duì)于帶有源功率因數(shù)校正（PFC）電路的60W單級(jí)單開關(guān)AC/DC轉(zhuǎn)換器，在85～265V整個(gè)工頻電壓范圍內(nèi)，新的數(shù)字化控制器在各種負(fù)載條件下的效率高達(dá)80％至89％。如圖1所示。此數(shù)字化控制器具有無需光耦器件；只用初級(jí)反饋進(jìn)行控制而無需反饋電路補(bǔ)償；以及能適應(yīng)任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源等優(yōu)點(diǎn)。

圖1? 電源效率

??? 采用PWM控制器的電源在輕負(fù)載時(shí)效率和穩(wěn)定性通常將明顯降低。pulse Train技術(shù)由于無需昂貴的光耦器件和相關(guān)元器件，使得電源更便宜、更輕便。與模擬產(chǎn)品不同，這種數(shù)字方案還為250W以下的AC/DC應(yīng)用提供了內(nèi)建的有源PFC特性。

??? pulse Train技術(shù)的特點(diǎn)是采用了一對(duì)脈沖發(fā)生器（一個(gè)功率脈沖發(fā)生器和一個(gè)檢測(cè)脈沖發(fā)生器）。此方案中，功率脈沖用于變壓器至負(fù)載的能量傳遞，而檢測(cè)脈沖用于監(jiān)測(cè)負(fù)載電壓，優(yōu)化程序用于設(shè)定脈沖的開通和關(guān)斷時(shí)間。脈沖比控制器（PRC）利用初級(jí)反饋，通過逐脈沖選通固定寬度和固定周期的功率脈沖來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。如圖2所示。

圖2? 脈沖比控制（PRC）示意圖

??? iWatt首席技術(shù)官M(fèi)ark Telefus解釋道，在傳統(tǒng)的模擬PWM或脈沖頻率調(diào)制（PFM）轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)功率脈沖的大小是根據(jù)能使輸出電壓正好符合

??? 目標(biāo)來決定的。與此不同，pulseTrain轉(zhuǎn)換器的工作更象是數(shù)字化“開關(guān)式”伺服系統(tǒng)。pulse Train每個(gè)周期對(duì)二進(jìn)制誤差信號(hào)取樣，來確定是否發(fā)出功率脈沖，使輸出電壓朝目標(biāo)方向變動(dòng)。因此，輸出電壓被限定在目標(biāo)電壓附近很窄的范圍內(nèi)。對(duì)各種實(shí)際應(yīng)用而言，它比傳統(tǒng)模擬穩(wěn)壓器的紋波更小。

??? 從本質(zhì)上講，數(shù)字化pulse Train是通過發(fā)出或封鎖功率脈沖來控制輸出電壓的。例如，輸出電壓低于設(shè)定電平時(shí)，脈沖發(fā)生器就會(huì)連續(xù)發(fā)出功率脈沖，直到達(dá)到所需電平。同樣地，如果輸出電壓高于所需的電平，它就發(fā)出檢測(cè)脈沖而不是功率脈沖。檢測(cè)脈沖的開通時(shí)間比功率脈沖短得多，傳遞的能量也少得多。如圖3所示。

圖3? 功率脈沖控制輸出電壓

??? 有趣的是，此技術(shù)還能從穩(wěn)壓過程中分離脈沖形狀。這樣，我們就可以獨(dú)立設(shè)置開通和關(guān)斷時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)優(yōu)化。關(guān)斷時(shí)間可設(shè)置為確保當(dāng)在次級(jí)電流降為零時(shí)，反激式轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)才開通。另一方面，開通時(shí)間可設(shè)置為確保峰值初級(jí)電流保持恒定。總之，這些優(yōu)化會(huì)使電源轉(zhuǎn)換器在整個(gè)工頻電壓和負(fù)載范圍內(nèi)產(chǎn)生更高效的響應(yīng)。

??? iWatt公司針對(duì)各種不同AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用，開發(fā)出了三種實(shí)現(xiàn)pulse Train技術(shù)的芯片，并在其中集成了其它一些功能，如控制邏輯、波形分析儀、多路復(fù)用器、穩(wěn)壓器及驅(qū)動(dòng)器等。iW2101是隔離DC/DC控制器芯片，iW2201為AC/DC控制器芯片，iW2202為內(nèi)帶有源PFC電路的單片式AC/DC控制器。

??? 與使用復(fù)雜電路和普通PWM控制器的其它PFC方案不同，iW2202的PFC和穩(wěn)壓都由單級(jí)單開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的初級(jí)反饋提供。如圖4所示。在相同應(yīng)用中，其它PFC方案都會(huì)使大電容兩端電壓超過1000V，而iW2202方案不超過400V。這不僅能降低元器件的應(yīng)力，提高可靠性，并能以更低成本實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)。

圖4? 典型應(yīng)用電路

??? 測(cè)量結(jié)果表明，120V交流輸入時(shí)，使用iW2202的單級(jí)有源PFC轉(zhuǎn)換器的PF可達(dá)0.98，并提供輸出電流3.0A的19.0V直流輸出。高效率和高功率因數(shù)的組合，使設(shè)計(jì)能滿足EN61000-3-2規(guī)定的諧波失真指標(biāo)和BlueAngel規(guī)定的空載功耗標(biāo)準(zhǔn)。

??? 在整個(gè)工頻電壓和負(fù)載變化的范圍內(nèi)該設(shè)計(jì)不僅使輸出調(diào)整率小于±1％，而且其動(dòng)態(tài)響應(yīng)比傳統(tǒng)電路快近5倍。iW2202適用于AC85～270V、50～60Hz的通用工頻電壓。

??? iWatt公司正在致力于將其新技術(shù)延伸到可編程開關(guān)穩(wěn)壓器（PSR）中。iWatt公司正在研發(fā)的多路輸出PSR能綜合各種功率轉(zhuǎn)換和管理功能，而適用于向PDA、數(shù)碼相機(jī)和其它手持產(chǎn)品等移動(dòng)設(shè)備供電。此外，它還能與系統(tǒng)內(nèi)的主機(jī)處理器對(duì)話。

??? iWatt公司采用0.6μm CMOS工藝完成的首批三種集成數(shù)字化SMPS控制器樣品，包括iW2101隔離DC/DC控制器、iW2201AC/DC控制器以及帶PFC的AC/DC控制器iW2202。這三種器件均采用8引腳小型IC封裝。iW2202于2002年1月投產(chǎn)，其它兩種有望隨后開始批量生產(chǎn)。10000片批量iW2202的單價(jià)為3?5美元。