利用数字电源技术实现省电

省电为何如此重要？因为省电能够减少二氧化碳排放，创造更美好的环境，促进绿色生活方式，不仅如此，对于电费较高、特别是需要利用空调来散热的应用，还能借此降低成本。

本文介绍在开关模式电源中利用数字电源技术实现省电的方法。

输入线路电压范围内的开关频率控制

开关模式电源的主要功率损耗源包括：开关损耗、磁芯损耗、铜损耗、栅极驱动损耗和流经电容ESR的纹波电流。开关频率会对这些损耗产生直接影响。本节说明如何优化开关频率以降低功率损耗，同时保持整体性能不变。

以全桥拓扑结构为例，输出电感的峰峰值电流纹波为

△I=(Vin×D×(1-2D))/(n×LO×fsw) （1)

式中，Vin是输入电压；D是占空比；n是匝比；Lo是输出电感；fSW是开关频率。

图1举例说明了输出电感电流纹波与输入电压的关系。可以看出，输出电感电流以非线性方式随着输入电压而变化。为了满足输出纹波要求，开关频率应足够高，以使最大输入电压时的△I保持在限值以内，但在大多数输入电压情况下，效率无法达到最优水平。

图1 输出电感电流纹波和输入电压的关系

如果我们通过一个算法来使开关频率发生变化，就可以在线路电压较低时降低开关频率。这样，电源既能实现高效率，又能使输出电流纹波保持在可接受的范围内。利用数字电源控制器可以轻松实现这种算法。

自适应死区控制

适当的死区设置对于提高效率十分重要。死区过长，会增大硬开关和体二极管的高导通损耗所引起的功率损耗。死区过短，会增大交叉导通所引起的功率损耗。为了实现高效率，优化死区是必要的。但在不同的工作条件下，死区优化值也不同。例如，在满负载条件与轻负载条件下，或者在高线路电压条件与低线路条件下，死区优化值是不同的。

图2 死区控制设置

为了解决这一问题，需要引入自适应死区控制功能。一种简单的解决办法是根据不同的输出电流阈值提供多个死区设置。通过对这些设置进行编程，可以优化不同负载条件下的死区。图2举例说明了如何根据负载电流设置死区。

轻负载模式和深度轻负载模式

为在整个负载范围内实现省电，可以将开关电源设置为不同的工作模式，包括正常模式、轻负载模式和深度轻负载模式。在不同的工作模式下，同步整流器采用不同的工作方案。

当电源在中高负载下工作时，使能正常模式。同步整流器与全桥PWM（脉宽调制）通道互补。当负载降为满负载的20%～30%时，使能轻负载模式。这种模式下，同步整流器仍然有效，但它与全桥PWM通道同相。当负载非常小时，可以使能深度轻负载模式。在这种模式下，同步整流器禁用。

图3 正常模式、轻负载模式和深度轻负载模式的工作情况

利用负载电流信息，可以为数字电源控制器设置不同的轻负载和深度轻负载阈值。图3显示了正常模式、轻负载模式和深度轻负载模式的工作情况。

切相控制

交错技术可改善电路效率，减小输出电流纹波，提高有效纹波频率，降低输出滤波器电容要求。交错方法还能显著降低输入滤波器电感和电容要求。两相并行工作可降低满负载下的导通损耗，但会提高轻负载下的开关损耗。一相关闭时，导通损耗会提高，但开关损耗会降低，从而在轻负载下获得更高的效率。通过监控输出电流，可以实现对相数的实时优化。用户可以更改切相(phase shedding)的负载电流阈值。

图4 切相条件下的效率测量

在两相系统中，控制器应能利用交错相位工作，还能平衡电流并增加相位或进行切相。利用数字控制技术，可以在控制器中轻松实现这些功能。图4显示了在轻负载条件下利用切相控制提高效率的实验测试结果。

冷冗余

在空闲模式和其他低功耗条件下，为了提高系统能效并实现省电，需要引入冷冗余模式。在这种模式下，控制电路仅仅激活省电所需的电源模块，其他电源模块关闭，处于待机状态。一旦负载变大，或者在用电源发生故障，就可以激活冗余电源。

图5 冷冗余操作

为实现冷冗余，开关电源控制器应能在不同情况下监控系统并控制电源。例如，数字控制器能够检测负载和故障条件，然后采用不同的软启动时序激活待机电源。与模拟解决方案相比，数字电源技术更灵活，能够对冷冗余进行智能控制。

结论

利用数字电源技术省电能够产生显著的技术和经济效益。相比于模拟控制方案，数字电源技术可提供更高的灵活性、先进的实时控制算法和操作智能，因而能够在高低两种负载条件下轻松实现省电。本文所讨论的数字控制技术正在快速发展，基于这种技术的数字电源解决方案有望在省电方面发挥越来越重要的作用。