电源高效率工作点和电源休眠技术的研究

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【摘 要】本论文研究分析了一种基于外部电路检测控制，来控制全桥软开关电源系统，使其工作在最佳负载工作点的电路设计。本论文研究了目前电源系统的发展历程、革命性发展、目前最高端技术，分析了全桥软开关电源的致命弱点，并针对此情况做进一步改进的创新方法。使得改进后的电源系统不只是具有效率高的虚名，而是真正工作在最高效率负载点的系统优化过程。

【关键词】全桥软开关电源；负载-效率最佳工作点；电源休眠；绿色；节能；创新

1.解决损耗的办法

1.1变硬开关为软开关

在众多损耗中，最重要的损耗是开关电源在开关过程中由于电流和电压的交叉导通产生的热损耗，所以改变电源的工作状态，即变硬开关电源为软开关电源是根本解决办法。

1.2提高电源的负载

从图1可以看出：开关电源在40%额定电流输出区间以下，整流器的效率是比较低的，而且输出电流越小效率越低。但整流器的持续工作电流过大一旦达到或者超过额定工作电流，其工作稳定性要受到影响，因此，从提高整流器的工作效率来讲，我们有必要采取措施确保开关整流器工作在40%-80%的负载区间内。

综上所述，现有开关电源系统的缺陷是：开关整流器没有得到合理的利用，工作效率低，热损耗大，浪费资源。有必要采取合理的技术措施，避免多个整流器工作在效率较低的负载率区间内，提升整个开关电源系统的工作效率，降低热损耗，达到节能的目的。

2.解决电源损耗带来的问题

2.2可靠性的问题

电源的可靠度是时间和负载的函数，时间越长，可靠度下降，负载越大可靠度越低，本来电源是并联工作在小负载状态，当认为提高负载后电源的可靠度下降，故可靠性设计重要的一个方面是负载率的设计，根据元器件的特性及实践经验，元器件的在小负载率下工作时，电源系统的可靠性较高的。

2.2电源冗余设计的问题

冗余电源是用于服务器中的一种电源，是由两个完全一样的电源组成，由芯片控制电源进行负载均衡，当一个电源出现故障时，另一个电源马上可以接管其工作，在更换电源后，又是两个电源协同工作。冗余电源是为了实现服务器系统的高可用性。除了服务器之外，磁盘阵列系统应用也非常广泛。电源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N+1备份、冗余热备份等方式。容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，这对提高可靠性意义不大。冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成，正常时由其中一个供电，当其故障时，备份模块立刻启动投入工作。这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔，容易造成电压豁口。并联均流的N+1备份方式是指电源由多个相同单元组成，各单元通过或门二极管并联在一起，由各单元同时向设备供电。这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电，但负载端短路时容易波及所有单元。冗余热备份是指电源由多个单元组成，并且同时工作，但只由其中一个向设备供电，其他空载。主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小。对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通信设备、*设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分，在高可用系统中起着重要作用。冗余电源一般配置2个以上电源。当1个电源出现故障时，其他电源可以立刻投入，不中断设备的正常运行。这类似于UPS电源的工作原理：当市电断电时由电池顶替供电。冗余电源与UPS的区别主要是由不同的电源同时供电，而UPS则是一个电源供电另一个则随时备用，有需要时自动切换。传统的冗余电源设计方案是由2个或多个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源总线上。如图1所示。可以让1个电源单独工作，也可以让多个电源同时工作。当其中1个电源出现故障时，由于二极管的单向导通特性，不会影响电源总线的输出。

3.两全其美的解决办法

3.1软件办法的电源休眠技术

从2009年开始，国内各开关电源厂家陆续推出了结合自身电源产品的软件休眠节能技术，其普遍的技术原理是：厂家根据自身的开关整流器的负载-效率特性，预设一个合理的负载率区间，通过电源系统监控单元实时采集整流器输出电流与总负载电流，计算判断需要工作的整流器数量，然后通过整流器遥控开/关机命令实现对整流器的软关机和开机，达到休眠节能的目的。

3.2硬件办法的电源轮流工作技术

节能控制器不依赖于开关电源监控单元，而是独立实现对整流器输出电流总和各模块工作状态的检测，通过预先设定的整流器工作效率区间，判断当前负载情况下需要工作的整流器数量，然后控制加装在整流器交流输入前端的继电器，控制整流器的市电输入通断，通过冷备份方式来达到休眠节能的目的。

4.结束语

采用电源休眠技术控制的开关电源，不仅可以提高整个电源系统的工作效率，减少能源损耗，还可以对电源输出状况进行监控，有效实现了“该干活时就抡起膀子大干，该休闲时就安静的休闲”的工作模式杜绝了“干也不好好干，休也休不好”的工作模式，减少了因电源闲置和怠工产生的浪费和损失。

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