有关开关电源能效的问题

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有关开关电源能效的问题 [复制链接]

 

     近一两年内，基本做电源产品都为了更新六级能效而忙碌，新规要求倒逼产品升级换代，是好事，也是挑战。
        关于六级能效，两个要求：一，待机功耗
二，平均效率
        针对这两点，除了拥有一颗新颖的IC，还有那些细工需要注意的，扒一扒。
        首先，先了解下标准要求：


美国能效要求




一、待机功耗
以美国能效要求为例，要求49W以下空载功耗为0.1W，大于49W空载功耗为0.21W；欧盟49W以下为75mW，大于49W为150mW。在设计电源时，相对于75mW的空载功耗，必须要精打细算到每个细节上。 以下几点为显在的固定消耗点：
        1，Vcc启动回路
        2，X电容放电回路
        3，IC Vcc供电回路
        4，电压（电流）检测环路
        5，假负载首先，新出的IC大多具有HV启动关断功能，启动后关闭启动电阻回路，避免此回路损耗。当然，这属于IC原有功能，不在本贴的主旨中，这里一带过，同时后面的一些延伸也会用到此引脚，顺带一说。如下：


当没有HV启动功能的芯片时，Vcc只能尽量大启动电阻，大的启动电阻又需要较快的启动时间时，可以这样做,Vcc两级DC接法,C16用于启动储能，C14用于辅助供电储能,使启动时较大R的情况下C能更快充到IC启动阈值：





X电容放电
        IEC60950要求1S内电压下降到37%
        IEC60065要求2S内电压下降到35V以下
        
        例，
        按第1条，X电容放电时间常数RC需小于1，
        设X电容为0.33uF,Rx*Cx<1,那么Rx<3MΩ，由于电容量存在20%误差，那么此电阻选值留足裕量，那应在Rx*0.7内，约2MΩ。
        电阻损耗，
        PR=U2/R，设ACmax=264V
        PR=2642/2M
        PR=34.8mW
        CoC要求49W以下75mW待机或DoE要求49W以下100mW待机，不管那个标准，这部份的损耗都显得巨大。怎么办，使用更小的X电容（当0.1uF以下，可以不使用放电电阻），或想办法让这个R更灵活一点，如下：
1，在断电后，利用IC的HV脚对Cx进行放电

2，没有HV启动脚，将启动电阻接到X电容放电电阻中点，断电后，利用IC的Vcc脚帮助放电，可减小X电容两端电阻的放电功率：


3，把EMC元件后移动，AC端不放X电容：

Vcc供电


尽量小的Vcc限流电阻，减小损耗。一般拥有较宽的Vcc的芯片，只要Vcc电压在要求范围内，供电可不用限流电阻，

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较小的电压标测环流，如图流经R11、R16的静态电流。
图中两电阻75K+7.5K，回路静态电流约U/R=0.3mA, I2R约7.5mW。
如设为47K+4.7K，则U/R=0.49mA, I2R约12.5mW。
所以在环路允许的情况下，建议选取较大值。

假负载
一般为了稳定环路在输出预加一定的假负载，在目前6级能效来说，几乎不能接受，假设一个5V1A的电源预加1KR电阻假负载，实际消耗P=U2/R，实际上消耗25mW的功耗，已占COC待机要求的1/3。
所以要稳定，设整合适的环路才是正道。
待机小结：
1，从功耗上来说，极大一部份来自于高压启动回路，可以从芯片功能选择，启动取电的设计，储能与Vcc的区分来实现较低的消耗。
2，线路中所有元件均存在消耗，所以，对各部份具体核算功耗，再尽可能降低。
3，选用具有突发模式的IC，待机处于突发模式，损耗降低明显。
二、效率
涉及效率，几乎包含了电源的整个系统设计，从整流到变压器转换，再到整流DC输出所有有电流过的地方都涉及损耗，包括EMI的抑制。要提升效率就是提升整个系统设计的合理性和平衡。不再大范围讲解，主要讲述一些重点和我们容易忽略的一些细节。
桥堆
桥堆的损耗是否有注意到，如下同是KBL06，有不同的Vf：
下面为ST品牌，同参数下Vf要低0.1V   

Pdiode=Vf*Iavg input curretn        常被忽略的参数，其实一直在侵食我们的效率。输出整流二极管


输出整流D5选用更低Vf的二极管，CCM下需要更快的Trr，如肖特基。
        Vf直接影响损耗及发热
        较低的Vf会有小的Pd=Vf*Iout
        如下，同品牌在同等条件下参数对比：
        MBRB20100CT   Vf：0.95V
        MBR20H100CT   Vf：0.88V
        损耗差Pd=（0.95-0.88）*Iout
        当然实际使用电流下的Vf并不一定为上面标称值，但两者的差别对比，在设计效率上应尽量用更低Vf整流二极管。
变压器
对变压器的几点要求：
1，尽量低的漏感，可降低损耗,设漏感为Lkp
Plk=(1/2*Lkp*Ipk^2)*F
在确定的F情况下，较低的Ipk和Lkp可得到较低的漏感损耗
改善方法：
增加耦合面，用三明治或五明治绕线
副边较粗的线从Bobbin两端出线，不要横跨线包到Pin脚，减少后面绕组的间隙，降低漏感
2，铜损、铁损
平衡两方损耗，监测两方面的温升，调整线匝及气隙，使温升平均
尽量绕满绕线窗，最大利用变压器功率密度
合理的EMI
一般60W及以下产品设计合理的情况下，初级一个大感量共模，次级一个小共模可满足一般IT类同等的EMI要求
从效率和EMI考虑上，变压器线包内屏蔽建议用2个铜箔分隔三明治中的初次级，如再增加屏蔽效用不高
合理处理MOS及二极管上的高频噪声，一般串磁珠是较高效低成本的应用
初级大电解并瓷片电容，对噪声有很好滤除作用
PCB Layout

于效率上的影响，PCB上大的环路线路要短，线宽，尽量小的环流面积。
特别次级DC侧，电流要比初级大得多，线宽要控制好。35um 2mm宽1A电流走线(露铜上锡宽度减半)，达不到的地方用露铜上锡加粗或在板面上加跳线增大电流。
针对六级能效，目前新IC推出很多特色功能来提升待机和能效，能满足我们应用的IC非常多，基本有几个特点：
待机方面
1，低启动电流，目前uA级的6Pin。或具HV独立启动的8Pin
2，轻载突发模式
效率方面
1，频率反走
2，低压升频（变压器可用较少规格）