开关电源功耗分析
一、引言
随着能源效率和环保的日益重要，人们对开关电源待机效率期望越来越高，客户要求电源制造商提供的电源产品能满足BLUEANGEL，ENERGYSTAR，ENERGY2000等绿色能源标准，而欧盟对开关电源的要求是：到2005年，额定功率为0.3W～15W，15W～50W和50W～75W的开关电源，待机功耗需分别小于0.3W，0.5W和0.75W.而目前大多数开关电源由额定负载转入轻载和待机状态时，电源效率急剧下降，待机效率不能满足要求。这就给电源设计工程师们提出了新的挑战。
二、开关电源功耗分析
要减小开关电源待机损耗，提高待机效率，首先要分析开关电源损耗的构成。以反激式电源为例，其工作损耗主要表现为：MOSFET导通损耗，MOSFET寄生电容损耗，开关交叠损耗，PWM控制器及其启动电阻损耗，输出整流管损耗，箝位保护电路损耗，反馈电路损耗等。其中前三个损耗与频率成正比关系，即与单位时间内器件开关次数成正比。在待机状态，主电路电流较小，MOSFET导通时间ton很小，电路工作在DCM模式，故相关的导通损耗，次级整流管损耗等较小，此时损耗主要由寄生电容损耗和开关交叠损耗和启动电阻损耗构成。
三、提高待机效率的方法
根据损耗分析可知，切断启动电阻，降低开关频率，减小开关次数可减小待机损耗，提高待机效率。具体的方法有：降低时钟频率;由高频工作模式切换至低频工作模式，如准谐振模式(QuasiResonant，QR)切换至脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)，脉宽调制切换至脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation，PFM);可控脉冲模式(BurstMode)。
(一)切断启动电阻
对于反激式电源，启动后控制芯片由辅助绕组供电，启动电阻上压降为300V左右。设启动电阻取值为47kΩ，消耗功率将近2W.要改善待机效率，必须在启动后将该电阻通道切断。TOPSWITCH，ICE2DS02G内部设有专门的启动电路，可在启动后关闭该电阻。若控制器没有专门启动电路，也可在启动电阻串接电容，其启动后的损耗可逐渐下降至零。缺点是电源不能自重启，只有断开输入电压，使电容放电后才能再次启动电路。
(二)降低时钟频率
时钟频率可平滑下降或突降。平滑下降就是当反馈量超过某一阈值，通过特定模块，实现时钟频率的线性下降。POWER公司的TOPSwitch-GX和SG公司的SG6848芯片内置了这样的模块，能根据负载大小调节频率。
(三)切换工作模式
1.QR→PWM对于工作在高频工作模式的开关电源，在待机时切换至低频工作模式可减小待机损耗。例如，对于准谐振式开关电源(工作频率为几百kHz到几MHz)，可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM(几十kHz)。
IRIS40xx芯片就是通过QR与PWM切换来提高待机效率的。当电源处于轻载和待机时候，辅助绕组电压较小，Q1关断，谐振信号不能传输至FB端，FB电压小于芯片内部的一个门限电压，不能触发准谐振模式，电路则工作在更低频的脉宽调制控制模式。
2.PWM→PFM
对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。图5是采用NS公司的LM2618控制的Buck转换器电路和分别采用PWM和PFM控制方法的效率比较曲线。由图可见，在轻载时采用PFM模式的电源效率明显大于采用PWM模式时的效率，且负载越低，PFM效率优势越明显。将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。
通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内。
(四)可控脉冲模式(BurstMode)
可控脉冲模式，也可称为跳周期控制模式(SkipCycleMode)是指当处于轻载或待机条件时，由周期比PWM控制器时钟周期大的信号控制电路某一环节，使得PWM的输出脉冲周期性的有效或失效，如图6所示。这样即可实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率。该信号可以加在反馈通道，PWM信号输出通道，PWM芯片的使能引脚(如LM2618，L6565)或者是芯片内部模块(如NCP1200，FSD200，L6565和TinySwitch系列芯片)。
NCP1200的内部跳周期模块结构见图7，当反馈检测脚FB的电压低于1.2V(该值可编程)时，跳周期比较器控制Q触发器，使输出关闭若干时钟周期，也即跳过若干个周期，负载越轻，跳过的周期也越多。为免音频噪音，只有在峰值电流降至某个设定值时，跳周期模式才有效。
而FSD200则是通过控制内部驱动器实现可控脉冲模式，即将脚的反馈电压与0.6V/0.5V迟滞比较器比较，由比较结果控制门极驱动输出。我们可根据此原理用分立元件实现普通芯片的BurstMode功能。控制反馈通道是实现一般PWM控制器的可控脉冲模式的方法之一。
另外对于有使能脚的PWM控制器，如L6565等，用可控脉冲信号控制使能脚使控制芯片有效或失效，也可以实现BurstMode，上述BurstSignal可由图1中所示的迟滞比较器产生。
四、存在的问题
以上介绍的降频和BurstMode方法在提高待机效率的同时，也带来一些问题，首先是频率降低导致输出电压纹波的增加，其次如果频率降至20kHz以内，可能有音频噪音。而在BurstMode的OFF时期内，如果负载激增，输出电压会大大降低，如果输出电容不够大，电压甚至可能降低至零。如果增大输出电容，以减小输出电压纹波，则会导致成本增加，并会影响系统动态性能。因此必须综合考虑。
1、前言
电网的损耗分为管理线损和技术线损。管理线损通过管理和组织上的措施来降低;技术线损通过各种技术措施来降低。降低网损的技术措施包括需要增加一定投资对电力网进行技术改造的措施和不需要增加投资仅需改善电网运行方式的措施。本文仅讨论降低网损的主要技术措施。
2、电力网的改造
由于各种原因电网送变电容量不足，出现“卡脖子”、供电半径过长等。这些问题不但影响了供电的安全和质量，而且也影响着线损。
(1)调整不合理的网络结构，架设新的输配电线路，改造原有线路，加大导线截面，采用低损耗变压器。
(2)电网升压，简化电压等级和变压层次，减少重复的变电容量。
3、电力网及设备的经济运行
3.1电力系统和电力网的经济运行
电力系统的经济运行主要是确定机组的最佳组合和经济地分配负荷。这时考虑的是全系统的经济性，线损不是决定性的因素。因此，在系统有功负荷经济分配的前提下，做到电力网及其设备的经济运行是降低线损的有效措施。
(1)无功功率的合理分布：
在有功功率合理分配的同时，应做到无功功率的合理分布。按照就近的原则安排减少无功远距离输送。应对各种方式进行线损计算制定合理的运行方式;应当合理调整和利用补偿设备提高功率因数。
(2)确定环网的合理运行方式：
是合环运行还是开环运行，以及在哪一点开环都是与电网的安全、可靠和经济性有关的问题。从增强供电可靠性和提高供电经济性出发应当合环运行，但是合环运行会导致继电保护复杂化，从而使可靠性又受影响。开环运行应根据网损计算结果选择最佳解列点。
(3)电力网的合理运行电压：
电力网的运行电压对电力网中元件的空载损耗均有影响。一般在35kV及以上供电网络中，提高运行电压1%，可降损1.2%左右。提高电网电压水平，主要是搞好全网的无功平衡工作，其中包括提高发电机端口电压，提高用户功率因数，采用无功补偿装置等。在无功平衡的前提下调整变压器的分接头。
在10kV配电网中，由于空载损耗约占总损耗的50%～80%，特别是在深夜时，因负荷低，则空载损耗的比例更大，所以应根据用户对电压偏移的要求，适当降低电压运行。
对于低压电网其空载损耗很少，宜提高运行电压。
由此可见，在电网运行中，大量采用有载调压设备可以在不同的负荷情况下合理地调整电网的运行电压。
(4)调整负荷曲线、平衡三相负荷：
负荷峰谷差大，在供电量相同的情况下线损大。变压器的三相负荷不平衡时，特别是低压网络，既影响变压器的安全运行又增加了线损。
3.2变压器的经济运行
变压器的损耗占全系统线损总量的30%～60%，降低变压器的损耗是电网降损的重要内容。一般除选用节能型变压器外，在变电所内应安装两台以上的变压器并联运行。这样既提高了供电的可能性，又可以根据负荷合理停用并联运行变压器台数，降低变压器损耗。
4、电网的无功补偿
4.1提高负荷的功率因数
提高负荷的功率因数，可以减少发电机送出的无功功率和通过线路、变压器传输的无功功率，使线损大为降低，而且还可以改善电压质量、提高线路和变压器的输送能力。
4.2装设无功补偿设备
应当根据电网中无功负荷及无功分布情况合理选择无功补偿容量和确定补偿容量的分布，以进一步降低电网损耗。
5、结论
电网的经济运行是降低供电成本的有效途径。合理选择降低网损的技术措施，是一项极为重要的工作。电网管理工作者除了懂得各种技术措施外，还需要根据电网实际需要，选择比较合适的降损措施，以使事半功倍。
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