數字電源技術助力實現高效率電源

引言

為推廣高效率節能產品，越來越多的國家和地區紛紛發布了各種節能規范和標準。例如，國際能源署(IEA)所倡導“1W計劃”，美國環保署(EPA)的“能源之星”計劃，以及中國節能產品認證中心(CECP)所制定的規章等都把節能環保放在重要位置。如何提高電源的效率，是目前電源設計中面臨的重要課題。數字電源技術的出現為提高電源的效率提供了新的方法。 ADP1043是ADI公司推出的一款針對高端服務器、存儲器以及通信設備等電源所設計的數字電源控制器，可支持多種拓撲結構，并利用直觀的圖形用戶界面(GUI)無需用語言進行編程，便可在幾分鐘之內配置包括頻率、時序、電壓設置與保護限制等系統電源參數。圖1所示為ADP1043的典型應用電路。其所采用的數字電源技術可幫助實現高效率電源。

圖1 ADP1043典型應用電路

同步整流技術

同步整流技術是指用導通電阻較低的MOSFET來替代整流二極管，從而達到降低整流損耗、提高效率的目的。在同步整流技術中，為避免交叉導通的危險，在主開關與同步整流開關的驅動信號之間必須設定一定的死區時間。在死區時間內，電感電流流過同步整流MOSFET的體二極管。而這個體二極管一般會具有較高的前向導通電壓VF，在死區時間較大時，會造成較大的損耗。因此，為最大限度地提高效率，要求死區時間盡可能小。但是在傳統的模擬方案中，自驅動型除了應用的限制外，還很難提供精確的控制時序;對于外驅動型，由于其參數是由電阻、電容等無源器件進行設定，存在誤差、老化、溫漂等問題，為保證有足夠的余量，死區時間也不可能設置得很小。因此，ADP1043的數字方案是很好的選擇。

圖2所示為ADP1043在全橋拓撲電路下的PWM和SR的GUI設置界面。通過設置T9、T10、T11和T125便可精確獲得同步整流MOSFET所需的死區時間，其中每次調整的最小時間為5ns。

圖2 PWM和SR的GUI設置界面

伏秒平衡控制技術

在傳統的橋式拓撲電路中，一般為防止變壓器的偏磁，會在變壓器的原邊回路中串入一個隔直電容器。這樣做存在缺點，一方面是增加了電源的成本和體積，另一方面又增加了損耗，降低了效率。ADP1043采用伏秒平衡控制的數字技術解決了該問題。

如圖3所示，在每個開關周期中，ADP1043通過CS1分別測量流過開關管A、D和開關管B、C的電流并計算其差值，通過差值信號調節驅動信號OUTB和OUTD的脈寬，對失衡進行補償。例如，如圖4所示，當CS1測量到流過開關管B、 C的電流大于開關管A、D時，便會減小OUTB的脈寬，增大OUTD的脈寬，這樣流過開關管B、C的電流會減小，而流過開關管A、D的電流會增大，經過若干周期后，電流自動實現了平衡。采用該技術后，可有效防止偏磁，并且省去隔直電容器，提高效率和可靠性。

圖3 伏秒平衡控制技術

圖4 伏秒平衡控制波形

動態死區控制技術

在傳統模擬方案中，一般設定一個足夠長的固定的死區時間可確保電源工作在所有條件下。但是對于一個典型的應用環境，這個死區時間往往比所需的時間長，由于在死區時間，是MOSFET的體二極管在導通電流，所以較長的死區時間會增加損耗，降低電源的效率。ADP1043可根據負載的情況，動態調節死區的大小，從而使電源在輕載和滿載時的效率得以優化。

改善輕載效率

除了提高電源在重載下的效率，改善電源輕載時的效率也同樣至關重要。這是因為在電源壽命的絕大部分時間內，工作負荷一般低于60%，電源很少在滿負荷下(100%)長時間工作，在滿載時能高效工作的系統并不能保證在輕載時也同樣保持最佳狀態。傳統的模擬方案為改善輕載效率，往往需要大規模改變或增加控制電路，增加了控制的復雜性，降低了電源的可靠性。而ADP1043所提供的數字控制技術，無需增加新的控制電路就能輕易的切換控制策略，這對于模擬電路來說幾乎是不可能的。