【導(dǎo)讀】國(guó)際電源能效標(biāo)準(zhǔn)隨著能源的日新月異，要求和標(biāo)準(zhǔn)也隨之提高。要想既滿足電源能效標(biāo)準(zhǔn)，又能提升性能降低成本，這就需要顛覆性的設(shè)計(jì)技術(shù)才能接受這個(gè)挑戰(zhàn)。為此，在不犧牲負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間的情況下，設(shè)計(jì)出節(jié)省成本、提升性能的AD/DC電源。
國(guó)際電源能效標(biāo)準(zhǔn)
美國(guó)能源部（DoE）于2007年頒布的外部電源能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空載功耗以及負(fù)載為額定負(fù)載電流25%至100%時(shí)的平均能效提出了一整套嚴(yán)格的要求。歐盟和全球其它國(guó)家也頒布了類似的標(biāo)準(zhǔn)，但DoE的標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。2014年2月，DoE更新了外部電源標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)一步嚴(yán)格規(guī)范了離線電源的能效和空載功耗。通過(guò)限制電源的最大空載功耗，該標(biāo)準(zhǔn)迫使電源制造商降低電源空載時(shí)來(lái)自市電的輸入電流。雖然在待機(jī)時(shí)限制控制電路的電流能夠節(jié)省電能，但它也影響了電源從空載迅速過(guò)渡到滿載的能力，而在這個(gè)永遠(yuǎn)在線的消費(fèi)電子世界中，這個(gè)特性一直被我們視為是理所當(dāng)然的。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間 – 大信號(hào)響應(yīng)時(shí)間和工作電流
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間直接影響輸出電壓的質(zhì)量；較快的響應(yīng)速度有助于減少輸出電壓偏差，而且不必使用多余的輸出電容器；較慢的響應(yīng)速度則反之。使用低功耗控制器時(shí)，響應(yīng)速度通常較慢，從而迫使電源不得不依賴外部組件來(lái)響應(yīng)輸出電流的變化。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間實(shí)際上是控制環(huán)路的大信號(hào)響應(yīng)時(shí)間，整合了小信號(hào)穩(wěn)定性和一些大信號(hào)因素，例如，控制電路能夠迅速轉(zhuǎn)換放大器和驅(qū)動(dòng)器的輸出。如果器件的轉(zhuǎn)換速率較低，而且小信號(hào)帶寬也較窄，輸出響應(yīng)負(fù)載變化的速度也較慢。
電子器件中的一些基本關(guān)系是通用的，雖然這不一定是絕對(duì)的。例如，工作電流很小的運(yùn)算放大器或?qū)Ρ绕鬓D(zhuǎn)換輸出的速度與工作電流較大的器件一樣快。隨著電流的下降，傳播時(shí)延也會(huì)增加，因?yàn)橛糜诮档碗娏鞯母鱾€(gè)級(jí)聯(lián)輸入級(jí)將增加信號(hào)穿過(guò)電路的時(shí)間。對(duì)于AC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出變壓器的反射阻抗所產(chǎn)生的復(fù)雜性以及寄生電感的特性增加了分析大信號(hào)響應(yīng)時(shí)間的復(fù)雜性。通過(guò)關(guān)注控制器自身能夠做什么，而不去考慮主動(dòng)無(wú)源組件的改變，我們就能有最大程度的電源性能提升，并降低工作電流。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析
當(dāng)任何電源的輸出電流發(fā)生變化時(shí)，多個(gè)因素將影響電源輸出響應(yīng)負(fù)載變化的速度和精度。通過(guò)將電源視作一個(gè)黑盒子－非理想電源，我們可以分析出是哪些因素決定了響應(yīng)時(shí)間。
圖1顯示了一個(gè)常見(jiàn)的負(fù)載變化以及其輸出如何響應(yīng)這個(gè)變化。假設(shè)這個(gè)模型為一黑盒子，其輸出電路是一個(gè)黑盒子電源，配有一個(gè)使用等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和額定容量建模的輸出電容器。根據(jù)輸出電流的轉(zhuǎn)換速率以及輸出電容的ESR和ESL，由于電流的瞬時(shí)增加導(dǎo)致輸出電壓迅速下降。電壓瞬時(shí)下降的原因是輸出電容的ESR，而這個(gè)初始尖峰的恢復(fù)特性則取決于ESL。
圖1 瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析
合理選擇ESR和ESL較低的旁路電容能夠?qū)⑦@個(gè)初始尖峰趨近于零。一旦輸出電容開(kāi)始向輸出端提供電流，電壓將根據(jù)輸出電流和輸出總電容下降(dV = (I/C)*dt)。輸出電壓的下降幅度完全取決于電源響應(yīng)變化并開(kāi)始向輸出電容器和負(fù)載提供電流的時(shí)間(dt)。一旦開(kāi)始向輸出端提供電流，輸出電容將充至標(biāo)稱輸出電壓，并提供一個(gè)較小的輸出偏移量。這個(gè)輸出偏移量通常被稱為負(fù)載調(diào)整率，而且通常取決于控制環(huán)路的增益特性。系統(tǒng)中的增益越大，對(duì)負(fù)載的電壓輸出精度就越高。
反激式轉(zhuǎn)換器中所使用的控制器可以是模擬或數(shù)字控制器。這兩種技術(shù)均用于完成相同的功能，但所采用的方法截然不同。模擬控制器使用模擬放大器監(jiān)測(cè)來(lái)自輸出端的反饋，以便生成一個(gè)誤差信號(hào)，然后將其與一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)輸出級(jí)進(jìn)行調(diào)制，以使輸出電壓返回到調(diào)節(jié)狀態(tài)。數(shù)字電路將模擬反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后將該字與一個(gè)已設(shè)定的對(duì)比點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，再使用比例-積分-微分（PID）過(guò)濾器對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)制，以調(diào)節(jié)輸出電壓。從黑盒子的角度而言，它們完成了相同的功能，但黑盒子內(nèi)部卻是兩個(gè)截然不同的世界。
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模擬控制器
采用模擬技術(shù)的電源控制器已問(wèn)世數(shù)十年。作為一種廣為熟悉的技術(shù)，模擬控制器的優(yōu)缺點(diǎn)已經(jīng)被探討了很長(zhǎng)一段時(shí)間。作為任何模擬控制器的核心（圖2），傳統(tǒng)的誤差放大器的性能取決于偏置電流。雖然的確存在能夠以很小的偏置電流實(shí)現(xiàn)較高性能的技術(shù)，但卻要犧牲硅片空間，而這是一個(gè)昂貴的代價(jià)。但是，一旦你為了遵從嚴(yán)格的最新能效標(biāo)準(zhǔn)而限制了這些模擬控制器的電流，它們的響應(yīng)時(shí)間將會(huì)大幅延長(zhǎng)。回顧上述的輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析以及控制環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間對(duì)輸出電壓質(zhì)量的影響，我們可以清楚地看到，環(huán)路越快，輸出電壓的完整性就越高。
圖2 通用模擬控制器
數(shù)字控制器
數(shù)字控制器的功能與模擬控制器相同，但黑盒子里面的某些內(nèi)容卻完全不同。一個(gè)典型的數(shù)字電源控制器由一個(gè)PID過(guò)濾器、數(shù)字參考、數(shù)字脈沖寬度調(diào)制（PWM）生成器和輸出驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成（圖3）。它將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為一數(shù)字列，然后將該字列與數(shù)字參考點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，再使用PID過(guò)濾器決定數(shù)字化的PWM電路將向主電源設(shè)備輸出。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基于PID的數(shù)字控制器對(duì)復(fù)雜變化響應(yīng)較慢，除非它使用速度極高的ADC和時(shí)鐘頻率極高的數(shù)字內(nèi)核。在負(fù)載總是較大的大電流應(yīng)用中，這種方法是可行的，可以實(shí)現(xiàn)很快的響應(yīng)速度，但在輕載情況下，與模擬控制器類似，簡(jiǎn)單的數(shù)字控制器也會(huì)無(wú)法滿足較高性能。
圖3 通用數(shù)字控制器
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬控制器相較于數(shù)字控制器，這兩個(gè)端點(diǎn)電路之間沒(méi)有理由存在重大的性能差距。但是，數(shù)字設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到這樣的程度：可以為控制器設(shè)計(jì)增添一些模擬控制器難以實(shí)現(xiàn)的自由度。與數(shù)字PID主控模塊并聯(lián)的額外的模擬或數(shù)字電路更可大幅提升電路的性能。單純的模擬控制器很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)轭~外的控制電路會(huì)嚴(yán)重破壞頻率補(bǔ)償。在模擬控制器中，一個(gè)控制環(huán)路本本已很難穩(wěn)定，多個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的環(huán)路需要極為復(fù)雜的補(bǔ)償機(jī)制，而為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，這通常又會(huì)導(dǎo)致不可接受的權(quán)衡。不論在DC/DC控制器或AC/DC控制器中，都存在相同的問(wèn)題。
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快速動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)所產(chǎn)生的影響
具備快速動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)功能的電源不僅在維持最終應(yīng)用所需的電壓穩(wěn)定性、規(guī)格和性能方面擁有明顯優(yōu)勢(shì)，而且還能減少維持輸出電壓所需的大容量電容，從而縮減電路的規(guī)模和成本。在要求高性能和低成本、同時(shí)要求遵從國(guó)際能效標(biāo)準(zhǔn)的典型應(yīng)用就是用于為智能手機(jī)充電的USB兼容輸出、並通用于離線輸入電壓適配器。針對(duì)使用USB連接器的電池充電器的USB BC1.2規(guī)范定義了一個(gè)恒定的DC輸出電壓在通用AC輸入電壓范圍下運(yùn)作，以確保使用遵從USB BC1.2規(guī)范的適配器的智能手機(jī)能夠正常工作。該規(guī)范還定義了一個(gè)恢復(fù)時(shí)間，即輸出從標(biāo)稱的電壓降至最低的電壓，然后再恢復(fù)的時(shí)間。輸出必須在指定的時(shí)間和DC容差內(nèi)恢復(fù)。
表1列出了需要遵從USB BC1.2的規(guī)范的規(guī)格。響應(yīng)時(shí)間和電壓似乎容易實(shí)現(xiàn)，尤其相對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，但AC/DC電源必須遵從DoE規(guī)范，而這是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。
表1. USB電池充電規(guī)范Rev 1.2電壓容差
Dialog電源轉(zhuǎn)換事業(yè)群（前iWatt Inc.）出品的iW1760遵從USB BC1.2規(guī)范，同時(shí)遵從DoE于2014年2月頒布的最新的能效標(biāo)準(zhǔn)以及歐盟頒布的最嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)“Code of Conduct Version 5, Tier 2”。圖4 顯示了iW1760在一個(gè)10W USB充電應(yīng)用中的響應(yīng)時(shí)間：輸出在6ms內(nèi)響應(yīng)了一個(gè)2A負(fù)載變化，并將輸出電壓保持在USB BC1.2 AC所要求的范圍內(nèi)，并留出了一些余量。
圖4. iW1760 – 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間圖
一個(gè)響應(yīng)速度更快的部件能夠以更少的電容實(shí)現(xiàn)更短的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)滿足能效標(biāo)準(zhǔn)的要求。iW1786是一款數(shù)字控制器，能夠與次級(jí)側(cè)的一個(gè)用于檢測(cè)輸出電壓變化并向初級(jí)側(cè)發(fā)送即時(shí)反饋的組件（iW671）配合使用，實(shí)現(xiàn)快于獨(dú)立的初級(jí)側(cè)反饋的輸出。更短的響應(yīng)時(shí)間和更小的電壓降為適配器的設(shè)計(jì)增加了很大的設(shè)計(jì)余量。另外，設(shè)計(jì)人員還可以減少用于在過(guò)渡期間維持輸出電壓所需的大容量電容量。初次審視這個(gè)增加一個(gè)次級(jí)側(cè)IC的想法可能看起來(lái)像是一次中立性的尺寸和成本權(quán)衡，但是，iW671為二級(jí)側(cè)內(nèi)置了一個(gè)同步整流電路，從而消除了Schottky二極管，提高了能效。更短的響應(yīng)時(shí)間降低了輸出電容，提高了能效，降低了散熱要求，并消除了二級(jí)側(cè)的一些組件，提供了一個(gè)高集成的解決方案。
圖5 顯示了iW1786+iW671 （對(duì)比IC）的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，它比iW1760的原始響應(yīng)時(shí)間有了明顯的改進(jìn)。動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)時(shí)間大幅縮短，從而為遵從USB BC1.2充電規(guī)范流留出了很大余量(1)。
圖5中的最小AC電壓為4.8V，提供了200mV的電壓跌落，而圖4中的電壓跌落為700mV。圖5中的響應(yīng)時(shí)間約為3ms，大約為圖4中的一半。這改進(jìn)了跌落的速度，甚至不到圖4中的一半。
圖5 iW1786+iW671的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間圖
iW1786采用一個(gè)復(fù)雜、並有多個(gè)控制環(huán)路的專有數(shù)字內(nèi)核。iW1786控制器中所使用的新一代的數(shù)字控制環(huán)路具備響應(yīng)速度快、外部組件少、無(wú)需外部補(bǔ)償組件也能維持多個(gè)控制環(huán)路的穩(wěn)定性的特點(diǎn)。模擬電路的或許夠?qū)崿F(xiàn)同類電路，但最終卻帶來(lái)了更大的電路尺寸、更高的成本和更困難補(bǔ)償。
數(shù)字技術(shù)正在將掀開(kāi)一個(gè)新的電源設(shè)計(jì)時(shí)代，甚至能為那些不精通電源的設(shè)計(jì)工程師提供靈活、易用的解決方案。數(shù)字電源管理技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步讓快速響應(yīng)成為可能，并讓消費(fèi)電子應(yīng)用的電源適配器能夠在不犧牲性能的情況下，滿足國(guó)際能效規(guī)定。
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