王磊金善益孙君颖/ .上海交通大学；.上海市计量测试技术研究院；.三垦电气（上海）有限公司



轻载降频模式与传统PWM模式在36 W反激式开关电源效率测试中的比较

王磊1金善益2孙君颖3/ 1.上海交通大学；2.上海市计量测试技术研究院；3.三垦电气（上海）有限公司

摘 要以实际案例为样本，针对36 W反激式开关电源的效率测试问题，结合CoC与DOE的相关标准，分别选用轻载降频模式以及传统PWM模式的开关电源芯片进行效率对比实验，希望通过效率测试实验的数据给出具有实际应用意义的结论。

关键词反激式开关电源；PWM；开关电源效率

0　引言

反激式开关电源应用广泛，而其带来的能耗问题也不容小视。关于反激式电源包括PWM以及QR模式等已有大量科研人员提供了宝贵的研究文献[1, 2]，关于如何改善反激式电源的效率问题也有不少前辈辛苦总结的研究成果[3, 4]。本文将着重研究采用轻载降频模式和传统PWM模式的36 W反激式开关电源效率问题，并通过效率对比实验的数据结果，结合CoC与DOE标准，总结两种开关电源芯片在节能方面的表现。

1　CoC与DOE标准

CoC v5即Code of Conduct on Energy Efficiency of External Power Supplies Version 5，由欧盟委员会联合研究中心提出。DOE VI则是由Department of Energy （DOE）即美国能源局提出。藉由全球人类环保意识的普遍提升，节能法规亦逐步完善，对于非满载时电源系统损耗的要求日益严格起来。以欧洲能效标准（CoC 2016 Tier 2）和美国能源局DOE所提出的草案为例，依照不同输出功率的应用，空载与轻载等各种工况下的损耗指标已经成为电源厂商的一大难题。表1所示为CoC v5对于空载功率损耗要求的Tier 2与原先Tier 1标准的比较。

2　效率对比实验的测试方法

实验标准：CoC 2016 Tier 2以及DOE VI。

表1　CoC标准对于空载功率损耗要求的比较

实验对象：搭载STR3A455D（具有轻载降频功能）的电源PCB基板一枚以及搭载STR2A155（传统PWM模式）的电源PCB基板一枚。

实验设备：工频50 Hz电源，输入变压器可调交流电压范围：0～300 V。日置牌功率计一台，型号Hioki 3332 Power HiTESTER。菊水牌电子负载仪一台，型号PLZ303WH，最大功率300 W（最高电压500 V，最大电流15 A）。

3　轻载降频模式开关电源IC的效率改善点原理

图1为反激式传统PWM模式开关电源IC：STR2A155在输出为36 W（12 V/3 A）时高频开关部分效率损失的粗略分布（这里暂时不考虑Snubber吸收电路的影响）。损耗①是原边IC的MOS管的开关损耗，在电源长时间工作状态下的平均损耗约为1.5 W，占电源整体效率的4.2%；损耗②是副边输出Diode的开关损耗，约为2 W，占整体损耗的5.6%。由于在轻载等非满载状态下，电源始终以芯片固定PWM频率（STR2A155的PWM频率）即65 kHz工作，持续的高速开关带来的损耗令电源产品在多种负载工况下的效率测试数据变得很难令人满意。

图1　传统PWM模式反激式开关电源的高频开关损耗分布

而具有轻载降频功能的STR3A455D正是针对这两个损耗点的问题进行了改善。满载时，电源仍是以固定PWM频率即65 kHz进行动作，如图2所示（Δf为芯片的抖动频率）。当负载降低时，VFB反馈信号电压随之下降。当VFB电压下降到VFB（FDS）=3.0 V时，开启频率下降模式，芯片的PWM频率也随着负载下降而缓慢下降；当VFB电压下降到VFB（FDE）=2.6 V时，降频工作模式基本结束，芯片以大约35 kHz的PWM频率工作，如图3所示。

4　效率测试对比实验数据

图2　PWM模式反激式开关电源的工作频率

图3　降频模式反激式开关电源随负载下降的工作频率变化

结合CoC v5与DOE VI标准，分别测试了搭载STR2A155与STR3A455D的两块电源基板的空载、轻载（10% 负载）以及负载分别为25%、50%、75%、满载的4点平均效率。实验数据结果如表2、表3所示，其中，Vin（V）是工频交流电源的输入电压；Pin（W）是功率计测得的输入功耗；Vo（V）、Io（A）和Po（W）分别为电子负载仪上读得的电源输出电压、输出电流和输出功率。效率η的计算公式如式（1）所示：

表2　搭载STR2A155电源基板的效率测试数据

表3　搭载STR3A455D电源基板的效率测试数据

对比两组实验数据不难看出，两款电源在空载与满载时，由于工作方式相近，效率差别不大。而在轻载（10%负载）及4点平均效率测试中的25%、50%、75%负载情况下，尤其是在Vin = 115 V条件下，两组实验数据存在一定的差距。其中，传统PWM模式的STR2A155在较低输入电压条件下的效率测试数据无法通过CoC v5与DOE VI标准。而降频模式的STR3A455D可以通过CoC v5与DOE VI标准的效率测试。

5　结语

从实验对比数据可以看出，降频模式对于改善电源在非满载工况下的效率有一定的帮助。虽然对于反激式开关电源，高频化（以使变压器得以小型化并使产品集成度更高）正是其存在的意义，然而局部降频工作模式仍然不失为一种对应特殊问题的思路，如准谐振QR模式对于中等功率应用下满载工况的降频处理方式等[5, 6]。相信未来对于局部降频带来电源效率改善的研究仍会有不断创新与发展的可能。

参考文献

[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