在各種負載條件下保持高效率的電源控制器

Power Supply Controller to Keep Efficiency High Across All Loads

??? 此文章先發表在美國的“Electronic Design”2001年12月刊，香港科匯（亞太）有限公司（Memec）得到此雜志的轉載許可，并做了翻譯。

??? 過去數十年中，傳統的模擬和脈寬調制（PWM）功率轉換器完全能滿足電源設計的要求，但近來似乎遇到了困難。為了使轉換效率那怕提高1％，也需要在拓撲結構、相關元器件和電路設計等方面做出重大改進。在系統和市場需求不斷推陳出新的壓力下，電源設計師們開始尋求一種能在各種工頻和負載條件下都更靈活、更可靠且性能更出色的產品，當然希望能在不增加成本的前提下，獲得這一切。

??? 利用半導體先鋒iWattInc公司研發的數字技術，一種新型的功率轉換控制器不僅能做到這些，而且使電源具有了前所未有的靈活性和可編程能力，這是傳統PWM和其它模擬方法所無法實現的。這些控制器能顯著改善AC/DC和DC/DC功率轉換方案的整機成本和性能，包括隔離和直接耦合轉換器。

??? iWattInc公司開發了一種名為“pulse Train”的專利穩壓技術。應用這一新技術，iWatt公司推出了一系列新的數字化開關電源（SMPS）控制器。iWatt公司希望這些新產品能克服老式技術的各種缺點，為電源設計數字化鋪平道路。

??? 測試表明，對于帶有源功率因數校正（PFC）電路的60W單級單開關AC/DC轉換器，在85～265V整個工頻電壓范圍內，新的數字化控制器在各種負載條件下的效率高達80％至89％。如圖1所示。此數字化控制器具有無需光耦器件；只用初級反饋進行控制而無需反饋電路補償；以及能適應任何拓撲結構的電源等優點。

圖1? 電源效率

??? 采用PWM控制器的電源在輕負載時效率和穩定性通常將明顯降低。pulse Train技術由于無需昂貴的光耦器件和相關元器件，使得電源更便宜、更輕便。與模擬產品不同，這種數字方案還為250W以下的AC/DC應用提供了內建的有源PFC特性。

??? pulse Train技術的特點是采用了一對脈沖發生器（一個功率脈沖發生器和一個檢測脈沖發生器）。此方案中，功率脈沖用于變壓器至負載的能量傳遞，而檢測脈沖用于監測負載電壓，優化程序用于設定脈沖的開通和關斷時間。脈沖比控制器（PRC）利用初級反饋，通過逐脈沖選通固定寬度和固定周期的功率脈沖來實現穩壓。如圖2所示。

圖2? 脈沖比控制（PRC）示意圖

??? iWatt首席技術官Mark Telefus解釋道，在傳統的模擬PWM或脈沖頻率調制（PFM）轉換器中，每個功率脈沖的大小是根據能使輸出電壓正好符合

??? 目標來決定的。與此不同，pulseTrain轉換器的工作更象是數字化“開關式”伺服系統。pulse Train每個周期對二進制誤差信號取樣，來確定是否發出功率脈沖，使輸出電壓朝目標方向變動。因此，輸出電壓被限定在目標電壓附近很窄的范圍內。對各種實際應用而言，它比傳統模擬穩壓器的紋波更小。

??? 從本質上講，數字化pulse Train是通過發出或封鎖功率脈沖來控制輸出電壓的。例如，輸出電壓低于設定電平時，脈沖發生器就會連續發出功率脈沖，直到達到所需電平。同樣地，如果輸出電壓高于所需的電平，它就發出檢測脈沖而不是功率脈沖。檢測脈沖的開通時間比功率脈沖短得多，傳遞的能量也少得多。如圖3所示。

圖3? 功率脈沖控制輸出電壓

??? 有趣的是，此技術還能從穩壓過程中分離脈沖形狀。這樣，我們就可以獨立設置開通和關斷時間，來實現各種系統優化。關斷時間可設置為確保當在次級電流降為零時，反激式轉換器中的開關才開通。另一方面，開通時間可設置為確保峰值初級電流保持恒定。總之，這些優化會使電源轉換器在整個工頻電壓和負載范圍內產生更高效的響應。

??? iWatt公司針對各種不同AC/DC和DC/DC轉換應用，開發出了三種實現pulse Train技術的芯片，并在其中集成了其它一些功能，如控制邏輯、波形分析儀、多路復用器、穩壓器及驅動器等。iW2101是隔離DC/DC控制器芯片，iW2201為AC/DC控制器芯片，iW2202為內帶有源PFC電路的單片式AC/DC控制器。

??? 與使用復雜電路和普通PWM控制器的其它PFC方案不同，iW2202的PFC和穩壓都由單級單開關拓撲結構中的初級反饋提供。如圖4所示。在相同應用中，其它PFC方案都會使大電容兩端電壓超過1000V，而iW2202方案不超過400V。這不僅能降低元器件的應力，提高可靠性，并能以更低成本實現更高性能的系統。

圖4? 典型應用電路

??? 測量結果表明，120V交流輸入時，使用iW2202的單級有源PFC轉換器的PF可達0.98，并提供輸出電流3.0A的19.0V直流輸出。高效率和高功率因數的組合，使設計能滿足EN61000-3-2規定的諧波失真指標和BlueAngel規定的空載功耗標準。

??? 在整個工頻電壓和負載變化的范圍內該設計不僅使輸出調整率小于±1％，而且其動態響應比傳統電路快近5倍。iW2202適用于AC85～270V、50～60Hz的通用工頻電壓。

??? iWatt公司正在致力于將其新技術延伸到可編程開關穩壓器（PSR）中。iWatt公司正在研發的多路輸出PSR能綜合各種功率轉換和管理功能，而適用于向PDA、數碼相機和其它手持產品等移動設備供電。此外，它還能與系統內的主機處理器對話。

??? iWatt公司采用0.6μm CMOS工藝完成的首批三種集成數字化SMPS控制器樣品，包括iW2101隔離DC/DC控制器、iW2201AC/DC控制器以及帶PFC的AC/DC控制器iW2202。這三種器件均采用8引腳小型IC封裝。iW2202于2002年1月投產，其它兩種有望隨后開始批量生產。10000片批量iW2202的單價為3?5美元。