隨著國際電源能效標(biāo)準(zhǔn)的限制日趨嚴(yán)格，電源控制器的性價(jià)比已逼近它們的極限。既要滿足這些新標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)又要提升性能和降低成本，這種挑戰(zhàn)已迫使市場轉(zhuǎn)向一些新的顛覆性技術(shù)。新的設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)在能夠讓AC/DC轉(zhuǎn)換器在不犧牲其性能(尤其是負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間)的情況下，滿足嚴(yán)格的DC能效要求。本文將探討這些新的電源能效標(biāo)準(zhǔn)對電源控制器提出的要求，在維持輸出質(zhì)量、以及不增加成本和復(fù)雜性的情況下提升性能的最新設(shè)計(jì)技術(shù)。

國際電源能效標(biāo)準(zhǔn)

美國能源部(DoE)于2007年頒布的外部電源能效標(biāo)準(zhǔn)對空載功耗以及負(fù)載為額定負(fù)載電流25%至100%時(shí)的平均能效提出了一整套嚴(yán)格的要求。歐盟和全球其它國家也頒布了類似的標(biāo)準(zhǔn)，但DoE的標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。2014年2月，DoE更新了外部電源標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)一步嚴(yán)格規(guī)范了離線電源的能效和空載功耗。通過限制電源的最大空載功耗，該標(biāo)準(zhǔn)迫使電源制造商降低電源空載時(shí)來自市電的輸入電流。雖然在待機(jī)時(shí)限制控制電路的電流能夠節(jié)省電能，但它也影響了電源從空載迅速過渡到滿載的能力，而在這個(gè)永遠(yuǎn)在線的消費(fèi)電子世界中，這個(gè)特性一直被我們視為是理所當(dāng)然的。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間 – 大信號響應(yīng)時(shí)間和工作電流

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間直接影響輸出電壓的質(zhì)量;較快的響應(yīng)速度有助于減少輸出電壓偏差，而且不必使用多余的輸出電容器;較慢的響應(yīng)速度則反之。使用低功耗控制器時(shí)，響應(yīng)速度通常較慢，從而迫使電源不得不依賴外部組件來響應(yīng)輸出電流的變化。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間實(shí)際上是控制環(huán)路的大信號響應(yīng)時(shí)間，整合了小信號穩(wěn)定性和一些大信號因素，例如，控制電路能夠迅速轉(zhuǎn)換放大器和驅(qū)動(dòng)器的輸出。如果器件的轉(zhuǎn)換速率較低，而且小信號帶寬也較窄，輸出響應(yīng)負(fù)載變化的速度也較慢。

電子器件中的一些基本關(guān)系是通用的，雖然這不一定是絕對的。

例如，工作電流很小的運(yùn)算放大器或?qū)Ρ绕鬓D(zhuǎn)換輸出的速度與工作電流較大的器件一樣快。隨著電流的下降，傳播時(shí)延也會(huì)增加，因?yàn)橛糜诮档碗娏鞯母鱾€(gè)級聯(lián)輸入級將增加信號穿過電路的時(shí)間。對于AC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出變壓器的反射阻抗所產(chǎn)生的復(fù)雜性以及寄生電感的特性增加了分析大信號響應(yīng)時(shí)間的復(fù)雜性。通過關(guān)注控制器自身能夠做什么，而不去考慮主動(dòng)無源組件的改變，我們就能有最大程度的電源性能提升，并降低工作電流。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間分析

當(dāng)任何電源的輸出電流發(fā)生變化時(shí)，多個(gè)因素將影響電源輸出響應(yīng)負(fù)載變化的速度和精度。通過將電源視作一個(gè)黑盒子-非理想電源，我們可以分析出是哪些因素決定了響應(yīng)時(shí)間。

圖1顯示了一個(gè)常見的負(fù)載變化以及其輸出如何響應(yīng)這個(gè)變化。假設(shè)這個(gè)模型為一黑盒子，其輸出電路是一個(gè)黑盒子電源，配有一個(gè)使用等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)和額定容量建模的輸出電容器。根據(jù)輸出電流的轉(zhuǎn)換速率以及輸出電容的ESR和ESL，由于電流的瞬時(shí)增加導(dǎo)致輸出電壓迅速下降。電壓瞬時(shí)下降的原因是輸出電容的ESR，而這個(gè)初始尖峰的恢復(fù)特性則取決于ESL。

合理選擇ESR和ESL較低的旁路電容能夠?qū)⑦@個(gè)初始尖峰趨近于零。一旦輸出電容開始向輸出端提供電流，電壓將根據(jù)輸出電流和輸出總電容下降(dV = (I/C)*dt)。輸出電壓的下降幅度完全取決于電源響應(yīng)變化并開始向輸出電容器和負(fù)載提供電流的時(shí)間(dt)。一旦開始向輸出端提供電流，輸出電容將充至標(biāo)稱輸出電壓，并提供一個(gè)較小的輸出偏移量。這個(gè)輸出偏移量通常被稱為負(fù)載調(diào)整率，而且通常取決于控制環(huán)路的增益特性。系統(tǒng)中的增益越大，對負(fù)載的電壓輸出精度就越高。

反激式轉(zhuǎn)換器中所使用的控制器可以是模擬或數(shù)字控制器。這兩種技術(shù)均用于完成相同的功能，但所采用的方法截然不同。模擬控制器使用模擬放大器監(jiān)測來自輸出端的反饋，以便生成一個(gè)誤差信號，然后將其與一個(gè)參考信號進(jìn)行對比，并對輸出級進(jìn)行調(diào)制，以使輸出電壓返回到調(diào)節(jié)狀態(tài)。數(shù)字電路將模擬反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后將該字與一個(gè)已設(shè)定的對比點(diǎn)進(jìn)行對比，再使用比例-積分-微分(PID)過濾器對輸出進(jìn)行調(diào)制，以調(diào)節(jié)輸出電壓。從黑盒子的角度而言，它們完成了相同的功能，但黑盒子內(nèi)部卻是兩個(gè)截然不同的世界。