王磊金善益孫君穎/ .上海交通大學(xué)；.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.三墾電氣（上海）有限公司

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輕載降頻模式與傳統(tǒng)PWM模式在36 W反激式開關(guān)電源效率測(cè)試中的比較

王磊1金善益2孫君穎3/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；3.三墾電氣（上海）有限公司

摘 要以實(shí)際案例為樣本，針對(duì)36 W反激式開關(guān)電源的效率測(cè)試問題，結(jié)合CoC與DOE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別選用輕載降頻模式以及傳統(tǒng)PWM模式的開關(guān)電源芯片進(jìn)行效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，希望通過效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)給出具有實(shí)際應(yīng)用意義的結(jié)論。

關(guān)鍵詞反激式開關(guān)電源；PWM；開關(guān)電源效率

0　引言

反激式開關(guān)電源應(yīng)用廣泛，而其帶來的能耗問題也不容小視。關(guān)于反激式電源包括PWM以及QR模式等已有大量科研人員提供了寶貴的研究文獻(xiàn)[1, 2]，關(guān)于如何改善反激式電源的效率問題也有不少前輩辛苦總結(jié)的研究成果[3, 4]。本文將著重研究采用輕載降頻模式和傳統(tǒng)PWM模式的36 W反激式開關(guān)電源效率問題，并通過效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合CoC與DOE標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)兩種開關(guān)電源芯片在節(jié)能方面的表現(xiàn)。

1　CoC與DOE標(biāo)準(zhǔn)

CoC v5即Code of Conduct on Energy Efficiency of External Power Supplies Version 5，由歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心提出。DOE VI則是由Department of Energy （DOE）即美國能源局提出。藉由全球人類環(huán)保意識(shí)的普遍提升，節(jié)能法規(guī)亦逐步完善，對(duì)于非滿載時(shí)電源系統(tǒng)損耗的要求日益嚴(yán)格起來。以歐洲能效標(biāo)準(zhǔn)（CoC 2016 Tier 2）和美國能源局DOE所提出的草案為例，依照不同輸出功率的應(yīng)用，空載與輕載等各種工況下的損耗指標(biāo)已經(jīng)成為電源廠商的一大難題。表1所示為CoC v5對(duì)于空載功率損耗要求的Tier 2與原先Tier 1標(biāo)準(zhǔn)的比較。

2　效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：CoC 2016 Tier 2以及DOE VI。

表1　CoC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于空載功率損耗要求的比較

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：搭載STR3A455D（具有輕載降頻功能）的電源PCB基板一枚以及搭載STR2A155（傳統(tǒng)PWM模式）的電源PCB基板一枚。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：工頻50 Hz電源，輸入變壓器可調(diào)交流電壓范圍：0～300 V。日置牌功率計(jì)一臺(tái)，型號(hào)Hioki 3332 Power HiTESTER。菊水牌電子負(fù)載儀一臺(tái)，型號(hào)PLZ303WH，最大功率300 W（最高電壓500 V，最大電流15 A）。

3　輕載降頻模式開關(guān)電源IC的效率改善點(diǎn)原理

圖1為反激式傳統(tǒng)PWM模式開關(guān)電源IC：STR2A155在輸出為36 W（12 V/3 A）時(shí)高頻開關(guān)部分效率損失的粗略分布（這里暫時(shí)不考慮Snubber吸收電路的影響）。損耗①是原邊IC的MOS管的開關(guān)損耗，在電源長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下的平均損耗約為1.5 W，占電源整體效率的4.2%；損耗②是副邊輸出Diode的開關(guān)損耗，約為2 W，占整體損耗的5.6%。由于在輕載等非滿載狀態(tài)下，電源始終以芯片固定PWM頻率（STR2A155的PWM頻率）即65 kHz工作，持續(xù)的高速開關(guān)帶來的損耗令電源產(chǎn)品在多種負(fù)載工況下的效率測(cè)試數(shù)據(jù)變得很難令人滿意。

圖1　傳統(tǒng)PWM模式反激式開關(guān)電源的高頻開關(guān)損耗分布

而具有輕載降頻功能的STR3A455D正是針對(duì)這兩個(gè)損耗點(diǎn)的問題進(jìn)行了改善。滿載時(shí)，電源仍是以固定PWM頻率即65 kHz進(jìn)行動(dòng)作，如圖2所示（Δf為芯片的抖動(dòng)頻率）。當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，VFB反饋信號(hào)電壓隨之下降。當(dāng)VFB電壓下降到VFB（FDS）=3.0 V時(shí)，開啟頻率下降模式，芯片的PWM頻率也隨著負(fù)載下降而緩慢下降；當(dāng)VFB電壓下降到VFB（FDE）=2.6 V時(shí)，降頻工作模式基本結(jié)束，芯片以大約35 kHz的PWM頻率工作，如圖3所示。

4　效率測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2　PWM模式反激式開關(guān)電源的工作頻率

圖3　降頻模式反激式開關(guān)電源隨負(fù)載下降的工作頻率變化

結(jié)合CoC v5與DOE VI標(biāo)準(zhǔn)，分別測(cè)試了搭載STR2A155與STR3A455D的兩塊電源基板的空載、輕載（10% 負(fù)載）以及負(fù)載分別為25%、50%、75%、滿載的4點(diǎn)平均效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2、表3所示，其中，Vin（V）是工頻交流電源的輸入電壓；Pin（W）是功率計(jì)測(cè)得的輸入功耗；Vo（V）、Io（A）和Po（W）分別為電子負(fù)載儀上讀得的電源輸出電壓、輸出電流和輸出功率。效率η的計(jì)算公式如式（1）所示：

表2　搭載STR2A155電源基板的效率測(cè)試數(shù)據(jù)

表3　搭載STR3A455D電源基板的效率測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難看出，兩款電源在空載與滿載時(shí)，由于工作方式相近，效率差別不大。而在輕載（10%負(fù)載）及4點(diǎn)平均效率測(cè)試中的25%、50%、75%負(fù)載情況下，尤其是在Vin = 115 V條件下，兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的差距。其中，傳統(tǒng)PWM模式的STR2A155在較低輸入電壓條件下的效率測(cè)試數(shù)據(jù)無法通過CoC v5與DOE VI標(biāo)準(zhǔn)。而降頻模式的STR3A455D可以通過CoC v5與DOE VI標(biāo)準(zhǔn)的效率測(cè)試。

5　結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，降頻模式對(duì)于改善電源在非滿載工況下的效率有一定的幫助。雖然對(duì)于反激式開關(guān)電源，高頻化（以使變壓器得以小型化并使產(chǎn)品集成度更高）正是其存在的意義，然而局部降頻工作模式仍然不失為一種對(duì)應(yīng)特殊問題的思路，如準(zhǔn)諧振QR模式對(duì)于中等功率應(yīng)用下滿載工況的降頻處理方式等[5, 6]。相信未來對(duì)于局部降頻帶來電源效率改善的研究仍會(huì)有不斷創(chuàng)新與發(fā)展的可能。

參考文獻(xiàn)

[1] Gerassimos A. Karvelis, Stefanos N. Manias. Analysis and design of a flyback zero-current switched(ZCS) quasi-resonant(QR) AC/ DC converter[J]. 27th Annual IEEE:Power Electronics Specialists Conference, 1996(1):475-480.

[2] Ge Chen, Jiaxin Chen, Youguang Guo, Jianguo Zhu. Synthetic design of the transformer in flyback switching AC-DC converters[J]. International Conference on Electrical Machines and Systems, 2008:1871-1784.

[3] Wing C. Ho, M. H. Pong. Power loss and efficiency analysis of quasi-resonant converters[J]. International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, 1993(2):842-847.

[4] Yu-Chai Kang, Chao-Chang Chiu, Moris Lin, Chih-Pu Yeh, Jinq-Min Lin, Ke-Horng Chen. Quasiresonant control with a dynamic frequency selector and constant current startup technique for 92% peak efficiency and 85% light-load efficiency flyback converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 29(9):4959-4969.

[5] Eiji Hiraki MN. Practical Power Loss Analysis Simulator of Soft Switching and Hard Switching PWM Inverters and Performance Evaluations[J]. IEEE 2002 International Conference on Communications, Circuits and Systems and West Sino Expositions, 2002(2):1690-1695.

The comparison of light load frequency down mode and traditional PWM mode in the efficiency test of 36 W flyback switching mode power supplies

Wang Lei，Jin Shanyi，Sun Junying
[1. Shanghai Jiao Tong University，2. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology，3.Sanken Electric(Shanghai)Co., LTD.]

Abstract:The thesis uses practical cases as samples, focusing on the problem of efficiency tests of 36 W flyback SMPS. Combined with related standards of CoC and DOE, the efficiency comparison experiments of two flyback SMPS ICs respectively with light load frequency down mode and traditional PWM mode are performed. The thesis tries to give a conclusion with actual application significance by using the results of efficiency test.

Key words:flyback SMPS; PWM; efficiency of SMPS