王学军

摘 要 开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。开关电源是电子电源的主要大类产品，由于其小型化、重量轻、功率密度/转换效率高、输入电压范围广、热消耗较少等众多种优点，并得益于电子产品轻、薄、小的需求趋势，其发展迅速，将全面取代线性电源而普及于各种电子产品领域。

【关键词】待机功耗 开关管损耗 高压启动 6级能效

从2011年至2015年每年全球开关电源市场销售额平均保持了6.5%左右的幅度增长， 2016年中国电源产业产值将超过2156亿元，我国开关电源产值将达到1875亿元。

可以预计，下面几个问题是开关电源发展的永恒方向：

（1）开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的；也是减小体积的重要途径。

（2）体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。

（3）效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。

（4）待机功耗低，这样才能节能减排，做到低碳环保。

1 提高整机效率与降低待机功耗理论分析

1.1 开关电源的损耗包含功率管导通损耗、开关损耗以及外围控制电路损耗，电路不同部分的损耗成因各不相同，因此减小损耗的方法也有不同

需要用数学方程式量化这些损耗，进而整理出降低各部分损耗的方法，才能得出具体有效降低整体损耗的方案。

1.2 主要导通损耗

如表1、表2、表3所示。

1.3 主要开关损耗

如表4、表5、表6所示。

1.4 外围控制电路损耗

表7所示。

2 整机待机功耗分析

2.1 D4875手机充电器5V2A整机实际线路

从图1整机线路分析功耗来源，主要可以分为以下几类：开关损耗、电阻损耗、缓冲网络损耗、PWM控制器功耗等。

2.2 开关损耗

2.2.1 测试条件

VAC=264V。下面为辅助绕组对地的波形（如图2、图3、表8所示）

原因分析：MOSFET的导通损耗，开关交叠损耗均与频率成正比关系，即与单位时间内开关次数成正比。

2.3 启动电阻损耗

如表9所示。

（1）测试条件VAC=264 V，RIN=1MΩ→2 MΩ

启动电阻RIN上最大损耗：

备注：低频整流后的电压存在一定波动，故实际测试值与理论计算值有一定偏差。当然目前市场上已有采用高压启动的芯片（此类芯片半导体工艺相对复杂），也就是启动后切断电阻上的电流，可以达到没有损耗。

（2）同时可以通过把RIN的位置从低频整流后转到低频整流前，这样可以进一步降低待机功耗。测试条件VAC=220V，RIN=1MΩ或2MΩ，改变RIN连接位置，如表10所示。

（3）启动电阻值的增加，可以降低整机待机功耗，但同时会导致整机开机时间的延长，故待机功耗的降低是以牺牲整机开机时间为前提的。由于整机开机时间不能超过一定的时间（一般2S），各个厂家又有所不同，故根据实际情况进行选择，选择的标准是在不超过规定的开机时间下尽量增加启动电阻，从而降低待机功耗，如图4、图5所示。

测试条件：VAC=110 V，full load 2 A，RIN=1MΩ→2MΩ

（4）输出分压电阻RO最大损耗（RO包括两个分压电阻总和）：

测试条件：VAC=220V，RO=2KΩ→20 KΩ，如表11所示。

2.4 缓冲网络损耗

2.4.1 二次侧整流二极管RC缓冲网络损耗

测试条件：R=18 Ω，C=102→103（如表12、表13所示）。

从表14可看出，电容C=102时主要吸收高频，那样就不会吸收掉正常工作的低频频率，功耗较低，但噪声与尖峰会很大。电容C=103时同时吸收低频高频，吸收效果好，噪声和尖峰会相应的小很多，但功耗会较大。由于吸收过来的能量会损耗在电阻上，因此电阻越大能量损耗也相应会增加。

2.5 RCD缓冲网络

2.5.1 测试条件

如表15所示。

D=FR107，R=100 KΩ，C=101→102→103

2.5.2 测试条件

如表16所示。

D=FR107，C=102，R=50 KΩ→100 KΩ→200 KΩ

原理分析如图6所示。

电容Csn=101时主要吸收高频，那样就不太会吸收掉正常工作的低频频率，功耗较低，但噪声和尖峰会很大。电容Csn=103时同时吸收低频高频，吸收效果好，噪声和尖峰会相应的小很多，但功耗会较大。由计算公式可以看出损耗在RSN上的能量与RSN的阻值成反比，故电阻越大，损耗越小。在实际调试过程中，当能耗降低会导致尖峰值增加，从而引起EMI问题，这时需要在两者之间权衡，同时兼顾效率与EMI。

2.6 D4875 PWM控制器损耗

2.6.1 芯片D4875上最大损耗

P=VDD×IDD

2.6.2 测试条件

VDD=12 V→18 V

从表17可看出，降低VDD的供电电压与供电电流能有效的降低待机功耗。

4 结论

要减小开关电源待机损耗，提高待机效率，根据开关电源损耗的构成分析，最有效的方法就是切断启动电阻，优化缓冲网络，降低芯片工作电压与工作电流，降低开关频率，减小开关次数可减小待机损耗，提高工作效率。

参考文献

[1]王志强，肖文勛.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010.