近来,电气设备的备援或无电荷耗电,在环保机构致力于减少电气设备之功率浪费与流失的带动下,愈来愈受到重视。这些机构还订定了电器设备准则的计划和提案,例如美国的 Energystar 计划和德国的Blue Angel计划,两者目前正为全世界所实行。如果符合标准,制造商就可以为所生产的设备冠上Blue Angel和 Energystar 等标志,表明为符合环保节约的设计。
这些计划和提案日渐为全球所实行,不久即将适用于所有的电气设备,设备的电源供应器也因而必须注重能源效率,在备援或关闭状态下应当耗用极低的功率。
本文说明如何运用电路,让采用整合开关器(Integrated Switcher)的反驰式电源供应器的无电荷/备援流失量降低。其作法是利用电路,依照电荷状况来改变整合开关器装置的作业模式,较高电荷时变换成准谐振(Quasi-resonant;QR)模式,轻电荷及无电荷状况下变换成脉波比控制(Pulse Ratio Control;PRC)模式。在轻电荷及无电荷状况下变换成 PRC模式时,电路可调整于 15-20kHz 的频率范围内作业,无负荷流失量即可由典型的 2.5W (以 230VAC 输入计) 降为约 0.8W。无电荷时采取QR模式则会使电流于 300-350kHz 左右作业,导致切换的损失较高。
备援电流的作业
(图一)中所示的电路为使用典型单一输出反驰式电源供应器(IRIS40xx Integrated Switcher )。这组电路与其他 Application Note 不同之处在于多增加一组电路,使得无电荷和备援状况下能以较低的功率操作。外加的这组电路由 Q1/R12/R13/C11/D8 所组成,这五个组件构成切换电路,可控制从偏压绕组 B 流去 IRIS40xx 的回授 pin的QR回授信号通过,或者加以关闭。
备援电路的作业方式颇为单纯,在此说明如下:D3/R5/C4/D4 构成延迟电路,将QR的信息从偏压绕组反馈给回授 pin,IRIS40xx 于是便侦测得出能量何时已全部从初级侧转到次级侧,以及泄极电压何时处于最低点,以作柔性切换。Q1 放在这条路径中当作启用或停用这道回授的开关,将 IRIS40xx 的作业模式从QR模式 (回授启用时) 有效变换成为频率较低的PRC 模式 (回授停用时)。
这组电路监视着偏压绕组的电压,来决定何时变换模块。正常电荷下,偏压绕组的电压比较高,模式切换电路也已经设定好电压值,使得这些情况下 Q1 会开启、QR 回授/延迟电路启用。当电路降为无电荷或轻电荷时,偏压绕组的电压会降到设定的电压值以下,回授/延迟电路则会停用。
R12/R13/D8 构成电压分隔装置,来设定备援模式切换电路的切换值。切换值取决于横跨 R13 与 D8 的电压。偏压绕组的电压够高时,电流会通过 D3/R12/R13 和 D8,造成跨过 R12的电压 下降,横跨 PNP 晶体管 Q1 的射 - 基接口也跟着下降;等到这个电压开始升高到超过 0.6V,电流会注入 Q1 的射 - 基接口,将它开启。如果偏压绕组电压降低,令横跨 R12 的电压 (连带影响 Q1 的射 - 基接口) 低于 0.6V,流过 R12 的电流继而降低甚至没有电流通过,则 Q1 的集 - 基接口的前进偏压不足,Q1 因而无法开启,回授/延迟信号也就停用。
设计程序
在此举例说明这部份的电路是如何设计和实作的情形。假设其余的电路已经运用其他的 Application Note 设计完成。
首先以一般Vcc为17V的设计为例,如果偏压绕组的整流器是类似 1n4148,则偏压绕组的电压会设计成 18V。
所以,正常电荷状况下,点X处在能量移转周期中有18V;现在我们想要选择点X处在作业模式变换时的电压值。答案显然是低于 18V,所以选择比预期的偏压电压稍低几伏特的电压,以确保在轻电荷的情况下能够切换,另一方面在全负荷的状况下也能够进入 QR 模式。我们就选 15V (由于来自输出控制电路的回授电流较高,因此轻或无电荷时偏压绕组的电压会下降)。
《图二 电路从QR模式变为PRC模式的泄极波形(CH1)/Vcc(CH2)/FB(CH3)和负载电流(CH4)》 |
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如果点 X 处有 15V,则 Q1 射极 (点 Y) 的电压会由于 D3 的 Vf 而低 1V,因此 Y 处为 14V。Q1 会在横跨射/基接口处有 0.6V 时开启。我们把 R12 设为 620 Ohm,好让当有 968A 的电流通过 R12 时,Q1 会开启。所以如果希望点 Y 处有 14V 时 Q1 开启,可以为 D8 设定齐纳电压,并用以下公式计算出 R13:
其中 Vy 于本范例中为 14V,I 为 968A,D8 可设为 11V 的「稳压二极管」,则 R13 为 2.4k。
图标的电路可将模式变换成低功率备援模式,从高于 1A 的任何电荷变换为0.05A或以下的电荷。
电路的波形
当负载电流如 CH4 所示从全荷载变换为无电荷时,输出电压提高以试图挪移储存的能量时,回授量也会随着增加,于是回授量最后增加到达图标中泄极波形平坦部份于 CH1 之前的那一点,FET 便停止切换;同时,FB pin (CH3) 不再获得 QR 信息,而且 Vcc 电压 (CH2) 也随着偏压绕组当时不供应能量而降低,经过约 5ms,电路的回授值达到稳定,FET 又开始重新切换,但这次是以 PRC 模式作业,导致 Vcc 降低,而且 FB pin 处也没有 QR 信号,如 CH3 电压降低所示。上述状况的作业期间,由于输出处为无电荷状态的缘故,回授值仍旧很高,因此电路只须从初级侧移转极其小量的能量到偏压和输出,即可维持电路稳定平衡,直到下一波电荷改变为止。
选用的外接超驰电路
(图三) 所示为外接的超驰信号可如何用来使得电路进入 PRC 模式。FET Q2 可以是逻辑层次的 FET,允许使用微处理器或其他来源所发出的驱动信号。这组电路实作起来非常简单。Q2 通常是关闭的,由负载电流来决定作业模式的状况下,允许电路照常作业。当 Q2 开启时,点 W 接地,使得 QR 信号短路,无法到达 FB pin,因此电路即默认在 PRC 模式下作业。
(作者任职于International Rectifier)
《图三 部份 IRIS PSU 电路,说明超驰电路模式增添 Q2 的情形》 |
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