我们应该如何应对日益严苛的能效标准挑战

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我们应该如何应对日益严苛的能效标准挑战

来源: | 作者:proe0304c | 发布时间: 2017-12-20 | 3116 次浏览 | 分享到:

我们应该如何应对日益严苛的能效标准挑战

2017-12-12 17:10:05

来源: EEWORLD

引言
随着越来越多的电子产品进入人们的生活，人类对电能的消耗也越来越大。世界银行最新的报告显示，全球人均电能消费已经从1,200千瓦时攀升到3,200千瓦时。而在这“巨额”消费中，实际上有相当一部分是被浪费掉了——根据测算，家用电器的总能耗中有12%~18%是被待机功耗这个“黑洞”吞噬掉了，如果将电子设备待机时消耗的电能加在一起，相当于50个大型电厂的年发电量。
为了有效控制待机功耗的增长，各国都制订了日益严苛的能耗标准。如美国能源部DoE标准规定：5W~49W的电器设备无负载时的待机功耗要低于0.1W，50W以上的设备的待机功耗要小于0.21W。欧盟能耗标准COC Tier 2对待机功耗的要求更为严格，它对于5W~49W和50W以上电器的待机功耗上限分别是0.075W和0.15W。这无疑给电子设计工程师的工作带来了更大的挑战。
为了应对这一挑战，应用创新性的电源管理技术和产品，显然是一条“捷径”。Texas Instruments（TI）公司最新推出的LLC谐振控制器 UCC256301，就是电子工程师们在设计acdc电源模块应用时不可错过的一个新选择。

低待机功耗 :超乎想象
UCC256301在稳压状态下可以实现小于40mW的待机功耗，在10%的负载下效率高达90%以上，可以帮助电子产品轻松满足CoC Tier 2和DoE 6级所规定的能效标准。
之所以UCC256301在待机功耗上有如此出色的表现，主要是由于该器件基于一种全新的突发（Burst）工作模式。工作在这种模式下，如果变换器输出的功率减小，控制环路的输出就会降低，当环路输出低到系统设定的关断阈值时，器件里面的MOS管就会彻底关断，使得能量不会从输入端流到输出端，输出电压就会随之下降。而当输出电压下降之后，控制环路的输出又开始上升，当环路的输出值超过开通阈值的时候，变换器重新开始正常工作，输出电压随之上升。由于开通阈值远远高于关断阈值，所以变换器在轻载时就会有很长的一段时间处于不工作的状态，不会有功率消耗，因此也就可以实现更低的待机功耗。

图1，UCC256301产品及电路图

这一工作原理看似简单，实际上其中包含着一项TI独有的专利控制算法——混合滞回控制技术（HHC）。传统的LLC控制器采用的是直接频率控制（DFC），这种调制方式在输出功率较小时，开关频率会增加到非常高，这样一来与开关频率相关的开关损耗、变压器磁极损耗以及驱动损耗，都会大幅度地增加，很难确保在轻负载时获得高效率和低功耗。而HHC恰恰是颠覆了以往传统的控制技术，让“不可能”的事成为现实。本文就带大家见识一下TI的这一“独门秘笈”。

关键的瞬态响应
在深入了解HHC技术之前，我们先来关注一个电源转换过程中的重要指标——瞬态响应。瞬态响应描述的是当转换器输出负载电流发生突发变化时电源系统的响应特性，也就是转化器对瞬态负载变化的快速反应能力。
图2展示了一个典型的电源转换器瞬态响应过程。可以看到，当负载电流突然增加时，由于转换器控制环路无法对负载的变化做出及时响应，所以输出电压会有一个明显的下跌，这是由于输出电容要对负载进行额外的充电。之后，控制环路开始做出反应，经过一段稳定时间（settling time）后将输出电压重新稳定到设置点。同样的，在负载电流突然下降时，由于控制环路响应的滞后，会让输出电容累积更多的电量，造成一段时间内输出电压的显著上拉。因此可以看到，瞬态响应不佳，会让输出电压产生一个电压偏差（voltage deviation），而且重新稳压也需要一个过程，在某些情况下这会导致设备的失控甚至关机，这显然是电源系统设计的大忌。

图2，电源转换器瞬态响应示意图

由此我们也可以看出，瞬态响应特性的优劣与电源转换器控制环路响应特性直接相关。控制环路带宽越大，响应时间越短，能够让转换器对负载的突发状况作出更快的反应。同时，控制环路的相位裕度（phase margin）会直接影响到稳定时间的长短，相位裕度不足会导致欠阻尼响应，在输出电压上产生振铃，所以通常情况下，推荐的控制环路相位裕度不能小于45°。此外，为了减小电压偏差，在系统设计时还会考虑采用大容值的输出电容，当然这也意味着更大的系统体积和更高的物料成本。