【導(dǎo)讀】六級能效對于一些產(chǎn)商既充滿機(jī)遇也充滿挑戰(zhàn)。而對于電源工程師而言，不增加成本就能提高效率無疑是最為理想的。本文中提出了能夠提高開關(guān)電源效率還能節(jié)約成本來滿足DOE VI的方案。
六級能效（DOE VI）解讀
要按規(guī)則辦事，首先就要了解規(guī)則，我們需要對標(biāo)準(zhǔn)有足夠的認(rèn)識。DOE，全稱Department Of Energy，是美國能源部頒布的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，主要對象為適配器、充電器等外置式電源。我們可以到其官網(wǎng)來了解其規(guī)則和下載最新的能效要求文件。
圖1：能效要求
單路和多路輸出的要求不同，從計(jì)算公式可以看出，多路輸出的要求相對低些，沒有要求那么細(xì)。對于單路輸出的，對不同功率等級，要求更加細(xì)化了。空載功耗最嚴(yán)的是要求小功率的小于100mW。對小于0.21W、0.5W的要求，功率較大，實(shí)現(xiàn)也較容易。本文重點(diǎn)放在1W~49W這個(gè)區(qū)間，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)間最有代表性。
圖2：DOE新舊版的平均效率要求曲線圖：（針對單路輸出Vo>=6V的情況，系列1為新版VI要求，系列2為舊版要求
）
從曲線圖可以看出，隨著功率的增大，新舊版的差異越來小，相差在1%，要滿足新版要求比較簡單。但隨著輸出功率的減小，效率差值越來越大。而小功率一般對成本很敏感，不允許增加太多，這樣要滿足六級能效就變得比較棘手。
圖3：六級能效計(jì)算公式
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正確測試效率和空載功耗的方法。要注意以下三點(diǎn)：
1)測空載功耗的時(shí)候，電源的輸出端不要接負(fù)載(電子負(fù)載會帶來額外的損耗)；
2)測平均效率的時(shí)候，功率分析儀的量程要注意調(diào)節(jié)，要設(shè)置在最接近實(shí)測值的那個(gè)量程；
3)測試效率和空載功耗時(shí)的電壓表和電流表接法是不一樣的，見下圖。
圖4：測試效率和空載功耗時(shí)的電壓表和電流表接法
以上接法可以滿足大部分情況，但也不絕對。對于一些小功率的電源，如幾W至十幾W的，輸入電流很小，電壓表的分流作用始終占很大的比例，這樣情況下即使測效率也要采用圖B的接法，這一點(diǎn)容易被忽略。針對AC-DC的測試，用萬用表是不行的，因?yàn)榇嬖赑F的問題，需要用到功率分析儀。如果是DC-DC的話，用萬用表沒有問題。
提升平均效率的方法與降低空載損耗的幾個(gè)常用方法
提升平均效率的方法：先看看效率曲線，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該是個(gè)開口向下的拋物線。
圖5：效率曲線
平均效率是測試25%、50%、75%、100%這4個(gè)點(diǎn)的效率，求和后取平均。根據(jù)效率曲線，如果你設(shè)計(jì)的電源效率全都分布在A點(diǎn)的左邊或者右邊，那么平均效率一般都不是最高。比較優(yōu)的是分布在A點(diǎn)兩邊，當(dāng)50%或者75%的時(shí)候達(dá)到最高點(diǎn)A。由于控制策略以及特殊的設(shè)計(jì)，效率曲線可以有兩個(gè)頂點(diǎn)。
第一個(gè)方法：優(yōu)化變壓器，盡量提高變壓器的感量。這個(gè)一般不會增加成本，對平均效率的貢獻(xiàn)大約有0.3%~0.6%，具體能多少基于原來的設(shè)計(jì)。但要注意低壓滿載以及跑峰值功率的時(shí)候變壓器不要有飽和問題。但很多人都是碰到提升感量后存在變壓器飽和問題就下結(jié)論增加感量行不通。變壓器飽和問題不是一定要通過降感量來解決的，可以采用提升頻率的方式來避免飽和。高壓的時(shí)候跑低頻，低壓的時(shí)候升頻，這樣即使感量較大，在低壓也可以抑制飽和。這樣也可能會造成低壓升頻的方式需要依賴于IC，可選的不多不夠靈活。那么有沒有辦法不依賴IC，從變壓器下手呢？有沒有一種方法使變壓器的感量在滿載的時(shí)候低，在輕載的時(shí)候高呢？輕載不用擔(dān)心飽和問題，這對提升輕載效率非常有益。其實(shí)就是非線性電感了，如何去實(shí)現(xiàn)非線性呢？這就看各家的功力了。對于大部分來說，估計(jì)只能做到僅僅提升感量，升頻和非線性電感無法導(dǎo)入。
第二個(gè)方法：還是變壓器，用大一號的磁芯。比如空間允許，能用RM7的就不要用RM6。
用大一號的磁芯對平均效率的貢獻(xiàn)約1%~2%，這個(gè)提升作用是非常大的。而大一號的磁芯對成本的影響很小或者還有可能下降（這個(gè)跟每家的用量和制程能力有關(guān)）。即使用大一號的磁芯會導(dǎo)致成本上升，那也可以通過用便宜的MOS和二極管來平衡回來。這樣下來可以保持總成本不變，而換來零點(diǎn)幾pa的提升。做過小功率的都清楚，即使用很好的MOS和二極管，對平均效率的提升作用也有限，能有個(gè)0.5%左右就很不錯(cuò)了，但成本需要增加較多。
第三個(gè)方法：控制IC的選擇，選擇輕載降頻的IC。這個(gè)對輕載的效率有好處。像3842之類的無法滿足，在這種應(yīng)用中該淘汰了。設(shè)計(jì)的時(shí)候有個(gè)小技巧，可以設(shè)計(jì)滿載剛好跑65K，載輕了馬上降頻。避免滿載、3/4載等多個(gè)載都跑65K。
圖6：輕載效率
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下面把提升效率的幾個(gè)常用方法列出：
提升變壓器感量；變壓器用大一號的磁芯；選擇輕載降頻的IC；增大bus電容，主要是提升低壓輸出時(shí)候的平均效率。這個(gè)看bus電壓的波動情況，到一定值對效率影響就很有限；減小Cds電容（針對有EMI預(yù)設(shè)計(jì)的情況）；優(yōu)化MOS的RCD吸收，一般是減小C增大R；優(yōu)化副邊二極管的吸收，一般是減小C；OCP能在原邊做的就不要在副邊做，減少采樣電阻的損耗；采用Qg小Coss小的MOS，這個(gè)不一定會貴，需要多找不同家的對比；對于低壓大電流的情況，需要使用低VF的二極管，同時(shí)變壓器的副邊可以考慮采用多股線。這個(gè)會增加成本；采用性能更好的MOS和二極管。（此法一般不輕易用，只是作為對策的完整性列出）相信通過上面的調(diào)整設(shè)計(jì)，對提升效率到六級能效是沒有問題的。
降低空載損耗的幾個(gè)常用方法：
1、IC的選擇，選擇低工作電流的，現(xiàn)在一般是0.5mA左右，同時(shí)VCC電壓在滿足供電的前提下盡量低。
2、高壓啟動，啟動后切斷啟動線路的最好。這個(gè)在早期一般是外加電路實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在都集成在IC內(nèi)部了，缺點(diǎn)是增加成本和空間。對于小功率的，啟動時(shí)間在2~3S內(nèi)的，用普通啟動就可以實(shí)現(xiàn)，一般不會采用高壓啟動線路或者IC，出于成本和空間的考慮。
3、現(xiàn)在的IC，空載都是跑burst，降低burst的個(gè)數(shù)和頻率。
4、降低驅(qū)動損耗，選擇低Qg的MOS。
5、降低變壓器的寄生電容。
6、關(guān)于RCD，這里要說明一下，合理的設(shè)計(jì)，RCD電路對空載損耗的影響幾乎可以忽略不計(jì)。實(shí)測有沒有RCD的差異在2mW左右。
7、副邊線路的優(yōu)化（此部分優(yōu)化前后可以有20mW~30mW的差異，影響很大。詳見下圖）：
圖7：副邊線路的優(yōu)化
A、選擇高CTR的光耦；
B、在滿足穩(wěn)定的條件下，盡量提升R1、R2的值；
C、431的選型，有高低工作電流之分，典型的為1mA，也有0.5mA甚至更低。選擇低工作電流的損耗低，但成本會上升，而且抗干擾能力降低，需要折中考慮；
D、選擇了低工作電流的431后，可以將R3加大，甚至取消。
其實(shí)，對于降低空載損耗，最主要的算以上的第二條和第七條。在副邊線路已優(yōu)化的情況下，如果還要進(jìn)一步降低損耗，比如30mW、10mW甚至更低的要求，此時(shí)主要看IC的解決方案，外圍電路再優(yōu)化也無濟(jì)于事。
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