開關電源待機功耗分析

王學軍

摘 要 開關電源是利用現代電力電子技術，采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率（占空比），調整輸出電壓，維持輸出穩(wěn)定的一種電源。開關電源是電子電源的主要大類產品，由于其小型化、重量輕、功率密度/轉換效率高、輸入電壓范圍廣、熱消耗較少等眾多種優(yōu)點，并得益于電子產品輕、薄、小的需求趨勢，其發(fā)展迅速，將全面取代線性電源而普及于各種電子產品領域。

【關鍵詞】待機功耗 開關管損耗 高壓啟動 6級能效

從2011年至2015年每年全球開關電源市場銷售額平均保持了6.5%左右的幅度增長， 2016年中國電源產業(yè)產值將超過2156億元，我國開關電源產值將達到1875億元。

可以預計，下面幾個問題是開關電源發(fā)展的永恒方向：

（1）開關電源頻率要高，這樣動態(tài)響應才能快，配合高速微處理器工作是必須的；也是減小體積的重要途徑。

（2）體積要減小，變壓器電感、電容都要減小體積。

（3）效率要高，產生的熱能會減少，散熱會容易，容易達到高功率密度。

（4）待機功耗低，這樣才能節(jié)能減排，做到低碳環(huán)保。

1 提高整機效率與降低待機功耗理論分析

1.1 開關電源的損耗包含功率管導通損耗、開關損耗以及外圍控制電路損耗，電路不同部分的損耗成因各不相同，因此減小損耗的方法也有不同

需要用數學方程式量化這些損耗，進而整理出降低各部分損耗的方法，才能得出具體有效降低整體損耗的方案。

1.2 主要導通損耗

如表1、表2、表3所示。

1.3 主要開關損耗

如表4、表5、表6所示。

1.4 外圍控制電路損耗

表7所示。

2 整機待機功耗分析

2.1 D4875手機充電器5V2A整機實際線路

從圖1整機線路分析功耗來源，主要可以分為以下幾類：開關損耗、電阻損耗、緩沖網絡損耗、PWM控制器功耗等。

2.2 開關損耗

2.2.1 測試條件

VAC=264V。下面為輔助繞組對地的波形（如圖2、圖3、表8所示）

原因分析：MOSFET的導通損耗，開關交疊損耗均與頻率成正比關系，即與單位時間內開關次數成正比。

2.3 啟動電阻損耗

如表9所示。

（1）測試條件VAC=264 V，RIN=1MΩ→2 MΩ

啟動電阻RIN上最大損耗：

備注：低頻整流后的電壓存在一定波動，故實際測試值與理論計算值有一定偏差。當然目前市場上已有采用高壓啟動的芯片（此類芯片半導體工藝相對復雜），也就是啟動后切斷電阻上的電流，可以達到沒有損耗。

（2）同時可以通過把RIN的位置從低頻整流后轉到低頻整流前，這樣可以進一步降低待機功耗。測試條件VAC=220V，RIN=1MΩ或2MΩ，改變RIN連接位置，如表10所示。

（3）啟動電阻值的增加，可以降低整機待機功耗，但同時會導致整機開機時間的延長，故待機功耗的降低是以犧牲整機開機時間為前提的。由于整機開機時間不能超過一定的時間（一般2S），各個廠家又有所不同，故根據實際情況進行選擇，選擇的標準是在不超過規(guī)定的開機時間下盡量增加啟動電阻，從而降低待機功耗，如圖4、圖5所示。

測試條件：VAC=110 V，full load 2 A，RIN=1MΩ→2MΩ

（4）輸出分壓電阻RO最大損耗（RO包括兩個分壓電阻總和）：

測試條件：VAC=220V，RO=2KΩ→20 KΩ，如表11所示。

2.4 緩沖網絡損耗

2.4.1 二次側整流二極管RC緩沖網絡損耗

測試條件：R=18 Ω，C=102→103（如表12、表13所示）。

從表14可看出，電容C=102時主要吸收高頻，那樣就不會吸收掉正常工作的低頻頻率，功耗較低，但噪聲與尖峰會很大。電容C=103時同時吸收低頻高頻，吸收效果好，噪聲和尖峰會相應的小很多，但功耗會較大。由于吸收過來的能量會損耗在電阻上，因此電阻越大能量損耗也相應會增加。

2.5 RCD緩沖網絡

2.5.1 測試條件

如表15所示。

D=FR107，R=100 KΩ，C=101→102→103

2.5.2 測試條件

如表16所示。

D=FR107，C=102，R=50 KΩ→100 KΩ→200 KΩ

原理分析如圖6所示。

電容Csn=101時主要吸收高頻，那樣就不太會吸收掉正常工作的低頻頻率，功耗較低，但噪聲和尖峰會很大。電容Csn=103時同時吸收低頻高頻，吸收效果好，噪聲和尖峰會相應的小很多，但功耗會較大。由計算公式可以看出損耗在RSN上的能量與RSN的阻值成反比，故電阻越大，損耗越小。在實際調試過程中，當能耗降低會導致尖峰值增加，從而引起EMI問題，這時需要在兩者之間權衡，同時兼顧效率與EMI。

2.6 D4875 PWM控制器損耗

2.6.1 芯片D4875上最大損耗

P=VDD×IDD

2.6.2 測試條件

VDD=12 V→18 V

從表17可看出，降低VDD的供電電壓與供電電流能有效的降低待機功耗。

4 結論

要減小開關電源待機損耗，提高待機效率，根據開關電源損耗的構成分析，最有效的方法就是切斷啟動電阻，優(yōu)化緩沖網絡，降低芯片工作電壓與工作電流，降低開關頻率，減小開關次數可減小待機損耗，提高工作效率。

參考文獻

[1]王志強，肖文勛.開關電源設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.