FAN302HL损耗计算.docx

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FAN302HL损耗计算

基本常用的反激式转换器的电源架构来做分析，如图二为所示。

图二、典型的反激式转换器电路

图三、待机损耗各部份的损失分析图

从图三可看出待机损耗的分布，对一个反激式转换器而言，主要的待机损耗包括了切换损耗（switchingloss）和传导损耗（conductionloss）以及PWM控制电路所造成的损耗。

表一、表二、表三、表四分别对这些主要损耗，列出估算公式与改善对策。

表一、无载时主要控制电路损失

表二、无载时一次侧组件损失

表三、无载时变压器部分损失（不含线径损失）

表四、无载时二次侧组件损失

1、控制电路损失（15%）：

由表一与等式

（1）中可知，在待机时为了使PWMIC维持正常的操作，在辅助线路设计上必须确认能够提供足够的电压供应（VDD），由于FAN302HL的最低工作电压（VDD_OFF）为5V，所以通常设计在7V附近最为理想。

而在PWMIC操作电流方面，FAN302HL拥有多段的电流操作控制，如图四所示，当操作在脉冲模式（Burstmode）时，会以极低的操作电流，来降低FAN302HL的待机损耗。

（1）

图四、IC操作电流分怖图

2、一次测组件损失：

由表二中可知，一次测组件损失主要是由激活电阻损失、缓冲器损失与功率晶体管（PowerMOSFET）损失的总合。

激活电阻损失（1%）：

为了使PWMIC在正常工作前能获得电源供应，通常会有激活电路的设置，如图五，所示一但PWMIC从辅助绕组获得电源供应之后，激活电路便失去作用，但此时激活电阻上的跨压仍然会持续造成损耗，等式

（2）所示，FAN302HL内建高压激活电路（HV）代替传统激活电路的设置，可减少激活电阻造成的损耗并可加速开机时间与高压的激活能力。

图五、激活电路图

缓冲器损失（13%）：

当功率晶体管关闭的同时，会在汲/源极之间的跨压（VDS）上产生较高的突波电压，如图六所示，这是由于变压器上的泄漏电感所导致，因此减少泄漏电感的产生与峰值电流的增加，就能有效的改善消耗损失，式子为等式（3）

        （3） 

图六、汲源极间跨压的波形

功率晶体管损失（29%）：

在功率晶体管损失的部份中，主要包含了切换与传导损失，如等式（4）（5）所示，而在手机充电器的应用中又以切换损失占大多数，因此除了挑选合适的功率晶体管外，经由脉冲模式（Burstmode）技术，减少单位时间内功率晶体管的切换次数来降低切换损失并维持输出电压的稳定，可有效改善此部份的损耗，图七为POWERMOSFET相关参数。

         （4） 

                 （5） 

图七、POWERMOSFET相关参数

3、变压器铁芯损失（2%）：

变压器传输电能时的消耗主要分为铜损和铁损，铜损是一次侧电流流经变压器线圈阻抗上造成的耗损，但是在空载待机的情况下流经变压器线圈上的电流很小，因此在此条件下铜损的影响可被忽略。

表五与等式（6）所列为铁损的损耗公式，从式中可知降低切换频率与磁通密度可以改善铁芯损失，而调整磁通密度时，势必会提高匝数比，而线圈匝数增加也会导致铜损上升，如等式（7）所示，因此需要合理的设计磁芯的磁通密度和操作频率来达到损耗的改善

                                         （6） 

           （7）

4、二次测组件损失：

由表四中可知，二次测组件损失主要是由输出二极管、分流调节电阻与光耦合器损失的总合。

输出二极管损失（2%）：

图八所示为输出二极管损耗路径，当电流在流过二极管为正向时，会与PN两极体上所产生的顺向导通电压来造成损失，如等式（8）所示，因此挑选较低顺向导通电压的输出二极管是必备条件之一。

           （8） 

图八、输出二极管损耗路径图

分流调节电阻损失（2%）：

由于在分流调节器必需经由分流调节电阻来导通动作并与参考电位来做比较，以达到恒定输出电压，但此调节电阻仍会占据些微损耗，如等式（9）所式，因此提高调节电阻可以有效改善能量的损耗，但同时也会影响到回授稳定度，因此在这部份的取舍也是要仔细考量，图九为损耗路径。

          （9）

光耦合器损失（35%）：

光耦合器用来提供二次侧到一次侧间的讯号传递并免于噪声干扰，同时也提供了稳压控制的讯号路径，经由电流限制电阻器（Rbias）来提供光耦合器正常操作电流，以达到稳定的操作动作，但是所流经的电流限制电阻器也会对系统造成一定的损耗产生，如等式（10）所式，因此这部份的取舍也需要好好考虑，路径图如图九所示。

        （10） 

图九、分流调节器与光耦合器损耗图

由上述的论点可以很明显的看到，无论是切换损耗（switchingloss）和传导损耗（conductionloss）或是由PWM控制电路所造成的损耗，大部份都与切换频率有很密切的关系，因此需要更有效的控制待机时所产生的损耗。

FAN302HL采用脉冲模式（Burstmode）的技术，来达到省电的效果。

FAN302HL所使用的方式为随者FB脚位的电压变化来判断脉冲模式的导通周期，达到在无载时的极轻待机损耗，从图十中可知FB脚位除了PWM的责任周期调配外，也负责脉冲模式的调配。

当IC操作在脉冲模式时FB脚位会判断该电压准位所发生的动作，当VFB低于VFB_L时，会去强制关掉PWM输出，使之无能量供给，增加脉冲周期，此时输出电压会些微下降，因而VFB瞬间提高，所以当VFB高于VFB_H

时会在强制导通PWM，以供给输出能量，借用如此交替的运作来达到合适的脉冲模式调配。

从图十一中可看到脉冲模式时的动作原理与脉冲模式时的相关参数。

图十、FB脚的逻辑电路图

图十一、脉冲模式时动作原里

FAN302HL无载待机损耗计算实例

使用飞兆半导体所研发出的节能PWMIC；FAN302HL，放置于测试板上，如图十二所示（其额定输出电压与电流规格为5V/1A），量测条件为；输入264V交流电压并操作在无载时，并由表五所计算出损耗值，待机损耗约9.07mW。

此结果与系统实际测试结果相差不多，图十三为系统实测结果图。

图十二、FAN302HL系统电路图

表五、待机消耗损失计算表

图十三、待机消耗在不同电压时的实测结果

结论

在电源供应器领域上，已越有越来越多极低待机损耗的产品需求，因此本篇文章主要针对飞兆半导体新推出的FAN302HL驱动控制IC来探讨降低电源供应器整体待机功率损耗的方法。

并以项数学表示式计算出主要的切换和控制电路损失，接者导入多项飞兆半导体创新的专利技术去实现更低的整体待机损耗，最后在额定输出电压/电流规格为5V/1A，264V交流输入且输出无载时，使待机损耗可以达到小于10mW的结果。

此外FAN302HL驱动IC除了可以实现极佳的节能控制外，也拥有高频操作（85KHz）与高效率的技术，绝对可以满足手机充电器的应用，达到“轻薄短小”的目标。