随着国际电源效率标准变得更加严格，电源控制器的性价比正在接近极限。满足这些新标准的要求同时提高性能和降低成本的挑战迫使市场转向一些新的颠覆性技术。新的设计技术现在允许 AC/DC 转换器满足严格的 DC 效率要求，而不会牺牲其性能，尤其是负载瞬态响应时间。本文将探讨这些新的电源效率标准对电源控制器的要求，以及在不增加成本和复杂性的情况下提高性能并保持输出质量的最新设计技术。
国际能效标准
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美国能源部 (DoE) 于 2007 年发布的《外部电源能效标准》对负载为额定负载电流的 25% 至 100% 时的空载功耗和平均能效提出了严格的要求欧盟和世界其他国家也颁布了类似的标准，但 DoE 标准是最严格的强制性标准。 2014年2月，DoE更新外接电源标准后，进一步严格规定离线电源的能效和空载功耗。该标准通过限制电源的最大空载功耗，强制电源制造商在电源空载时降低来自市电的输入电流。虽然在待机期间限制控制电路的电流可以节省电力，但它也会影响电源从空载快速过渡到满载的能力，在这个永远在线的消费电子产品世界中，我们长期以来一直认为这是理所当然的特性。
负载瞬态响应时间 - 大信号响应时间和工作电流
负载瞬态响应时间直接影响输出电压的好坏；更快的响应速度有助于减少输出电压偏差，无需使用额外的输出电容；较慢的响应速度则相反。使用低功耗控制器时，响应速度往往较慢，迫使电源依赖外部元件来响应输出电流的变化。负载瞬态响应时间实际上是控制回路的大信号响应时间，结合了小信号稳定性和一些大信号因素，例如控制电路快速切换放大器和驱动器输出的能力。如果设备的压摆率较低，小信号带宽较窄电源控制器，则输出响应负载变化的速度会较慢。
电子学中的一些基本关系是普遍的，尽管不一定是绝对的。例如，以非常小的电流工作的运算放大器或比较器可以像以较高电流工作的设备一样快速地转换输出。随着电流减小，传播延迟也会增加，因为用于减小电流的各种级联输入级将增加信号通过电路所需的时间。对于 AC/DC 转换器，输出变压器的反射阻抗和寄生电感的性质造成的复杂性增加了分析大信号响应时间的复杂性。通过专注于控制器自身可以做什么，而不考虑更改有源无源组件，我们可以最大限度地提高电源性能并降低工作电流。
负载瞬态响应时间分析
当任何电源的输出电流发生变化时，有几个因素会影响电源输出响应负载变化的速度和精度。通过将电源视为黑匣子——非理想电源，我们可以分析哪些因素决定了响应时间。
图 1 显示了常见的负载变化及其输出如何响应这种变化。假设这个模型是一个黑匣子，它的输出电路是一个黑匣子电源，带有一个使用等效串联电阻 (ESR)、等效串联电感 (ESL) 和额定容量建模的输出电容器。根据输出电流的压摆率和输出电容的 ESR 和 ESL，由于电流的瞬时增加，输出电压迅速下降。瞬态压降的原因是输出电容的ESR，这个初始尖峰的恢复特性取决于ESL。
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合理选择低 ESR 和 ESL 的旁路电容可以使这个初始尖峰为零。一旦输出电容器开始为输出提供电流，电压将根据输出电流和总输出电容 (dV = (I/C)*dt) 下降。输出电压降的幅度完全取决于电源响应变化并开始向输出电容器和负载提供电流的时间 (dt)。一旦向输出提供电流，输出电容器将充电至标称输出电压并提供一个小的输出偏移。这种输出偏移通常称为负载调节，通常取决于控制环路的增益特性。系统中的增益越大，输出到负载的电压就越准确。
反激式转换器中使用的控制器可以是模拟控制器或数字控制器。这两种技术都用于完成相同的功能，但方式却截然不同。模拟控制器使用模拟放大器监控来自输出的反馈以生成误差信号，然后将其与参考信号进行比较并调制输出级以使输出电压恢复到调节状态。数字电路将模拟反馈信号转换为数字形式，然后将该字与设置的比较点进行比较，并使用比例-积分-微分 (PID) 滤波器调制输出以调节输出电压。从黑盒的角度来看，它们执行相同的功能，但黑盒内部是两个截然不同的世界。
模拟控制器
使用模拟技术的电源控制器已经存在了几十年。作为一项众所周知的技术，模拟控制器的优缺点已经讨论了很长时间。在任何模拟控制器的核心（图2)，传统误差放大器的性能取决于偏置电流。虽然确实存在用小偏置电流实现更高性能的技术，但它是以牺牲为代价的硅芯片空间昂贵。但是，一旦您限制这些模拟控制器的电流以符合严格的最新能效标准，它们的响应时间将显着增加。查看上面的输出负载瞬态响应时间分析和控制效果循环响应时间对输出电压质量的影响，我们可以清楚地看到，循环越快，输出电压的完整性就越高。
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数字控制器
数字控制器的功能与模拟控制器相同，但黑匣子里面的东西完全不同。典型的数字电源控制器由 PID 滤波器、数字参考、数字脉宽调制 (PWM) 发生器和输出驱动器组成（图 3)。它将反馈信号转换为数字序列，然后将字序列与数字参考点进行比较，PID 滤波器用于确定数字化 PWM 电路将向主电源输出什么。基于 PID 的标准数字控制器对复杂变化的响应速度很慢，除非它使用非常快速ADC和具有非常高时钟频率的数字内核。在负载总是很大的大电流应用中，这种方法是可行的，可以实现快速的响应速度，但在轻负载条件下，类似于模拟控制器，简单的A数字带有数字控制器的控制器将无法满足更高的性能。
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与数字控制器相比，标准模拟控制器的这两个端点电路之间没有明显的性能差距。然而，数字设计已经发展到可以为控制器设计增加一些使用模拟控制器难以实现的自由度的程度。与数字PID主模块并联的附加模拟或数字电路可以大大提高电路的性能。这用纯模拟控制器很难实现，因为额外的控制电路会严重破坏频率补偿。在模拟控制器中，控制环路本质上难以稳定，并且多个并行运行的环路需要极其复杂的补偿机制，这通常会导致无法接受的稳定权衡。无论是在 DC/DC 控制器还是 AC/DC 控制器中都存在同样的问题。快速动态负载响应的影响
具有快速动态负载响应的电源不仅在保持最终应用所需的电压稳定性、规格和性能方面具有显着优势，而且通过减小保持输出电压所需的大容量电容来减小电路尺寸和成本。需要高性能和低成本同时符合国际能效标准的典型应用是用于为智能手机充电的 USB 兼容输出，以及与离线输入电压适配器一起使用的一般应用。针对使用 USB 连接器的电池充电器的 USB BC1.2 规范定义了在通用交流输入电压范围内运行的恒定直流输出电压，以确保使用符合 USB BC1.2 的智能手机适配器工作正常。该规范还定义了恢复时间，即输出从标称电压下降到最小电压然后恢复所需的时间。输出必须在规定的时间和直流容限内恢复。
表 1 列出了符合 USB BC1.2 规范所需的规范。响应时间和电压似乎很容易实现，尤其是对于 DC/DC 转换器，但 AC/DC 电源必须符合 DoE 规范，这是一个巨大的挑战。
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Power Group（原 iWatt Inc.）生产的产品符合 USB BC1.2 规范，以及美国能源部 2014 年 2 月颁布的最新能效标准和最严格的欧盟颁布的“Code of 5, Tier 2”能效标准。图 4 显示了 10W USB 充电应用中的响应时间：输出在 6ms 内响应 2A 负载变化电源控制器，并将输出电压保持在要求的范围内USB BC1.2 AC，留一些余量。
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响应速度更快的部件可以以更少的电容实现更快的响应时间，同时满足能效标准。它是一种数字控制器，可与次级侧的组件一起使用，检测输出电压的变化并向初级侧发送即时反馈 (iW671))，从而实现比独立初级侧反馈更快的输出。更短的响应时间和更低的电压降为适配器设计增加了显着的设计余量。此外，设计人员可以减少在转换期间保持输出电压所需的大容量电容。首先看一下这个添加次级侧IC的想法可能看起来像是中性尺寸和成本的权衡，但是，iW671在次级侧集成了一个同步整流电路，从而消除了二极管并提高了能效。更短的响应时间减少的输出电容提高了能源效率，降低了散热要求，并消除了次级侧的一些组件，提供了高度集成的解决方案。
图 5 显示了 +iW671（比较 IC）的瞬态响应时间，这比原来的响应时间有了显着改善。动态负载响应时间大大缩短，为符合 USB BC1.2 充电规范流程（1).
图5的最小交流电压为4.8V，提供200mV的压降，而图4为700mV。图5的响应时间约为3ms，约为图的一半4. 这提高了下降的速度，甚至不到图4的一半。
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W1786 使用具有多个控制回路的复杂专有数字内核。控制器中使用的新一代数字控制回路具有响应时间快、外部元件少、无需外部补偿元件即可保持多个控制回路的稳定性的特点。模拟电路或许可以实现类似的电路，但最终会导致电路尺寸更大、成本更高、补偿更困难。
数字技术正在引领电源设计的新纪元，为不精通电源的设计工程师提供灵活、易于使用的解决方案。数字电源管理技术的进步可实现快速响应，并使消费电子应用的电源适配器能够在不牺牲性能的情况下满足国际能效法规。
注意
(1)用于测试这两个不同设备的电路是相同的，使用相同的磁性和无源元件。唯一的区别是用于生成图 4 和 5 中的被测设备中的两个波形的电路(DUT)。
