跟着世界电源能效标准的约束日趋严厉，电源操控器的性价比已迫临它们的极限。既要满意这些新标准的要求，一起又要提高功用和下降本钱，这种应战已迫使商场转向一些新的颠覆性技能。新的规划技能现在可以让AC/DC转化器在不献身其功用(特别是负载瞬态呼应时刻)的情况下，满意严厉的DC能效要求。本文将讨论这些新的电源能效标准对电源操控器提出的要求，在保持输出质量、以及不添加本钱和杂乱性的情况下提高功用的最新规划技能。
世界电源能效标准
美国能源部(DoE)于2007年公布的外部电源能效标准对空载功耗以及负载为额定负载电流25%至100%时的平均能效提出了一整套严厉的要求。欧盟和全球其它国家也公布了相似的标准，但DoE的标准是最严厉的强制性标准。2014年2月，DoE更新了外部电源标准后，进一步严厉标准了离线电源的能效和空载功耗。经过约束电源的最大空载功耗，该标准迫使电源制造商下降电源空载时来自市电的输入电流。尽管在待机时约束操控电路的电流可以节约电能，但它也影响了电源从空载敏捷过渡到满载的才能，而在这个永久在线的消费电子世界中，这个特性一向被咱们视为是天经地义的。
负载瞬态呼应时刻 – 大信号呼应时刻和作业电流
负载瞬态呼应时刻直接影响输出电压的质量;较快的呼应速度有助于削减输出电压差错，并且不用运用剩余的输出电容器;较慢的呼应速度则反之。运用低功耗操控器时，呼应速度一般较慢，然后迫使电源不得不依赖外部组件来呼应输出电流的改动。负载瞬态呼应时刻实际上是操控环路的大信号呼应时刻，整合了小信号安稳性和一些大信号要素，例如，操控电路可以敏捷转化放大器和驱动器的输出。假如器材的转化速率较低，并且小信号带宽也较窄，输出呼应负载改动的速度也较慢。
电子器材中的一些基本关系是通用的，尽管这不一定是肯定的。例如，作业电流很小的运算放大器或比照器转化输出的速度与作业电流较大的器材相同快。跟着电流的下降，传达时延也会添加，由于用于下降电流的各个级联输入级将添加信号穿过电路的时刻。关于AC/DC转化器，输出变压器的反射阻抗所发生的杂乱性以及寄生电感的特性添加了剖析大信号呼应时刻的杂乱性。经过重视操控器本身可以做什么，而不去考虑自动无源组件的改动，咱们就能有最大程度的电源功用提高，并下降作业电流。
负载瞬态呼应时刻剖析
当任何电源的输出电流发生改动时，多个要素将影响电源输出呼应负载改动的速度和精度。经过将电源视作一个黑盒子-非抱负电源，咱们可以剖分出是哪些要素决议了呼应时刻。
图1显现了一个常见的负载改动以及其输出怎么呼应这个改动。假設这个模型为一黑盒子，其输出电路是一个黑盒子电源，配有一个运用等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)和额定容量建模的输出电容器。依据输出电流的转化速率以及输出电容的ESR和ESL，由于电流的瞬时添加导致输出电压敏捷下降。电压瞬时下降的原因是输出电容的ESR，而这个初始尖峰的康复特性则取决于ESL。
合理挑选ESR和ESL较低的旁路电容可以将这个初始尖峰趋近于零。一旦输出电容开端向输出端供给电流，电压将依据输出电流和输出总电容下降(dV = (I/C)*dt)。输出电压的下降起伏彻底取决于电源呼应改动并开端向输出电容器和负载供给电流的时刻(dt)。一旦开端向输出端供给电流，输出电容将充至标称输出电压，并供给一个较小的输出偏移量。这个输出偏移量一般被称为负载调整率，并且一般取决于操控环路的增益特性。体系中的增益越大，对负载的电压输出精度就越高。
反激式转化器中所运用的操控器可所以模仿或数字操控器。这两种技能均用于完结相同的功用，但所选用的办法天壤之别。模仿操控器运用模仿放大器监测来自输出端的反应，以便生成一个差错信号，然后将其与一个参阅信号进行比照，并对输出级进行调制，以使输出电压返回到调理状况。数字电路将模仿反应信号转化为数字方式，然后将该字与一个已设定的比照点进行比照，再运用份额-积分-微分(PID)过滤器对输出进行调制，以调理输出电压。从黑盒子的视点而言，它们完结了相同的功用，但黑盒子内部却是两个天壤之别的世界。
模仿操控器
选用模仿技能的电源操控器已面世数十年。作为一种广为了解的技能，模仿操控器的优缺点现已被讨论了很长一段时刻。作为任何模仿操控器的中心(图2)，传统的差错放大器的功用取决于偏置电流。尽管确实存在可以以很小的偏置电流完成较高功用的技能，但却要献身硅片空间，而这是一个贵重的价值。可是，一旦你为了遵照严厉的最新能效标准而约束了这些模仿操控器的电流，它们的呼应时刻将会大幅延伸。回忆上述的输出负载瞬态呼应时刻剖析以及操控环路的呼应时刻对输出电压质量的影响，咱们可以清楚地看到，环路越快，输出电压的完整性就越高。
数字操控器
数字操控器的功用与模仿操控器相同，但黑盒子里边的某些内容却彻底不同。一个典型的数字电源操控器由一个PID过滤器、数字参阅、数字脉冲宽度调制(PWM)生成器和输出驱动器构成(图3)。它将反应信号转化为一数字列，然后将该字列与数字参阅点进行比照，再运用PID过滤器决议数字化的PWM电路将向主电源设备输出。一个标准的根据PID的数字操控器对杂乱改动呼应较慢，除非它运用速度极高的ADC和时钟频率极高的数字内核。在负载总是较大的大电流运用中，这种办法是可行的，可以完成很快的呼应速度，但在轻载情况下，与模仿操控器相似，简略的数字操控器也会无法满意较高功用。
一个标准的模仿操控器相较于数字操控器，这两个端点电路之间没有理由存在严重的功用距离。可是，数字规划现已发展到这样的程度：可以为操控器规划添加一些模仿操控器难以完成的自由度。与数字PID主控模块并联的额定的模仿或数字电路更可大幅提高电路的功用。单纯的模仿操控器很难完成这一点，由于额定的操控电路会严重破坏频率补偿。在模仿操控器中，一个操控环路本本已很难安稳，多个并联运转的环路需求极为杂乱的补偿机制，而为了完成安稳，这一般又会导致不行承受的权衡。不管在DC/DC操控器或AC/DC操控器中，都存在相同的问题。快速动态负载呼应所发生的影响
具有快速动态负载呼应功用的电源不仅在保持终究运用所需的电压安稳性、标准和功用方面具有显着优势，并且还能削减保持输出电压所需的大容量电容，然后减缩电路的规划和本钱。在要求高功用和低本钱、一起要求遵照世界能效标准的典型运用便是用于为智能手机充电的USB兼容输出、並通用于离线输入电压适配器。针对运用USB连接器的电池充电器的USB BC1.2标准界说了一个稳定的DC输出电压在通用AC输入电压范围下运作，以保证运用遵照USB BC1.2标准的适配器的智能手机可以正常作业。该标准还界说了一个康复时刻，即输出从标称的电压降至最低的电压，然后再康复的时刻。输出有必要在指定的时刻和DC容差内康复。
表1列出了需求遵照USB BC1.2的标准的标准。呼应时刻和电压好像简单完成，特别相对DC/DC转化器而言，但AC/DC电源有必要遵照DoE标准，而这是一个极大的应战。
Dialog电源转化工作群(前iWatt Inc.)出品的iW1760遵照USB BC1.2标准，一起遵照DoE于2014年2月公布的最新的能效标准以及欧盟公布的最严厉的能效标准“Code of Conduct Version 5, Tier 2”。图4 显现了iW1760在一个10W USB充电运用中的呼应时刻：输出在6ms内呼应了一个2A负载改动，并将输出电压保持在USB BC1.2 AC所要求的范围内，并留出了一些余量。
一个呼应速度更快的部件可以以更少的电容完成更短的呼应时刻，一起满意能效标准的要求。iW1786是一款数字操控器，可以与次级侧的一个用于检测输出电压改动并向初级侧发送即时反应的组件(iW671)合作运用，完成快于独立的初级侧反应的输出。更短的呼应时刻和更小的电压降为适配器的规划添加了很大的规划余量。别的，规划人员还可以削减用于在过渡期间保持输出电压所需的大容量电容量。初度审视这个添加一个次级侧IC的主意或许看起来像是一次中立性的尺度和本钱权衡，可是，iW671为二级侧内置了一个同步整流电路，然后消除了Schottky二极管，提高了能效。更短的呼应时刻下降了输出%&&&&&%，提高了能效，下降了散热要求，并消除了二级侧的一些组件，供给了一个高集成的解决方案。
图5 显现了iW1786+iW671 (比照%&&&&&%)的瞬态呼应时刻，它比iW1760的原始呼应时刻有了显着的改善。动态负载呼应时刻大幅缩短，然后为遵照USB BC1.2充电标准流留出了很大余量(1)。
图5中的最小AC电压为4.8V，供给了200mV的电压下跌，而图4中的电压下跌为700mV。图5中的呼应时刻约为3ms，大约为图4中的一半。这改善了下跌的速度，乃至不到图4中的一半。
W1786选用一个杂乱、並有多个操控环路的专有数字内核。iW1786操控器中所运用的新一代的数字操控环路具有呼应速度快、外部组件少、无需外部补偿组件也能保持多个操控环路的安稳性的特色。模仿电路的或许够完成同类电路，但终究却带来了更大的电路尺度、更高的本钱和更困难补偿。
数字技能正在将掀开一个新的电源规划年代，乃至能为那些不通晓电源的规划工程师供给灵敏、易用的解决方案。数字电源办理技能领域的前进让快速呼应成为或许，并让消费电子运用的电源适配器可以在不献身功用的情况下，满意世界能效规则。
注
(1)用于测验这两种不同器材的电路是相同的，选用相同的磁性和无源组件。仅有的区别是用于生成图4和图5中的两个波形的被测器材(DUT)。
