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超低功耗的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-11-26 來(lái)源:電子發(fā)燒友

中心議題:
  • 電流消耗產(chǎn)生的原因
  • 超低功耗的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
解決方案:
  • 增大電容容量并減小扼流圈
  • 隔離不需要的信號(hào)通路
現(xiàn)在,許多消費(fèi)類產(chǎn)品OEM制造商所生產(chǎn)的電子設(shè)備都具有超低待機(jī)功耗,但真正的目標(biāo)還是要盡可能地接近零功耗。PowerIntegrations新推出的兩款高壓MOSFET可以幫助設(shè)計(jì)師將電路中的耗能元件隔離開,從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)零空載功耗的目的。
  
消除待機(jī)功率
  
此類電量的節(jié)省會(huì)對(duì)整個(gè)國(guó)家的發(fā)電站配備要求產(chǎn)生直接影響,并且,它已成為各監(jiān)管機(jī)構(gòu)所頒布的能效法規(guī)中的關(guān)鍵內(nèi)容。以電視機(jī)接收器為例,包括能源之星和歐盟生態(tài)標(biāo)簽(EUEco-Label)在內(nèi)的眾多能效計(jì)劃現(xiàn)在都將最大待機(jī)功耗規(guī)定為1瓦。作為其節(jié)能計(jì)劃的組成部分,歐盟委員會(huì)已針對(duì)用能產(chǎn)品(EuP)的待機(jī)和關(guān)斷模式損耗頒布了用能產(chǎn)品指令Lot6。Lot6于2009年初生效,其要求比以往更為嚴(yán)格。自2010年起,新產(chǎn)品的待機(jī)功耗必須低于1瓦。到2011年,具體數(shù)值將進(jìn)一步減小,輸出功率≤51W的適配器將降至300mW,輸出功率>51W的適配器將降至500mW。
  
設(shè)計(jì)超低功耗的開關(guān)電源
  
如今的開關(guān)電源控制器IC已達(dá)到相當(dāng)先進(jìn)的水平,設(shè)計(jì)周密,足以滿足待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)。電源設(shè)計(jì)師只需遵循應(yīng)用指南即可獲得可接受的設(shè)計(jì)。但要想使待機(jī)功耗達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的十分之一或更低,則需要更加關(guān)注細(xì)節(jié)。必須對(duì)每個(gè)電源元件進(jìn)行優(yōu)化,使每次調(diào)整都能節(jié)省一定的功耗。圖1所示為典型反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化的區(qū)域。


圖1:用PowerIntegrations的TOPSwitch-HX優(yōu)化過(guò)的開關(guān)電源。
  
這款20W電源(DER-188)能夠在0.3W輸入功率下提供0.2W的待機(jī)輸出功率,在230VAC下的空載功耗極低,小于100mW。但是,如果要進(jìn)一步降低待機(jī)功率,使其盡可能接近零,該怎么辦呢?
  
首先會(huì)想到的元件是輸入濾波器。該元件始終與市電電源直接相連,因此這里的任何電流消耗都必須消除。電阻R1和R2也比較突出,因?yàn)樗鼈冎苯涌缃釉谳斎雰啥?,且與X電容C1并聯(lián)。如果電源已斷電,斷開瞬間的市電電壓會(huì)保留為電容中的直流電荷,因此存在于電源插頭引腳。由于存在潛在的電擊風(fēng)險(xiǎn),安規(guī)機(jī)構(gòu)規(guī)定電容值高于100nF的電容的自動(dòng)放電時(shí)間常數(shù)必須小于1秒。電阻R1和R2的作用就是對(duì)電容C1進(jìn)行放電。這兩個(gè)電阻通常以串聯(lián)方式連接,以便達(dá)到安規(guī)機(jī)構(gòu)的單點(diǎn)故障測(cè)試要求。
  
從功率預(yù)算的角度來(lái)看,這些電阻的存在是極不適宜的,因?yàn)闊o(wú)論電源是否工作,它們都會(huì)持續(xù)消耗功率。在所示的應(yīng)用中,輸入濾波器使用100nF的電容C1設(shè)計(jì)而成,因此不需要使用這些電阻。但增大電容容量有很大的益處:可以相應(yīng)減小扼流圈L1,從而節(jié)省尺寸、重量和成本。但對(duì)于1μF的電容來(lái)說(shuō),R1和R2的總值將必須達(dá)到1M?的最大值。在230VAC輸入下,電阻將連續(xù)消耗53mW的功率。
  
消除電流消耗
  
要想實(shí)現(xiàn)待機(jī)電流接近零的目標(biāo),就必須找到能消除R1和R2連續(xù)電流消耗的解決方案。PowerIntegrations新推出的CAPZeroIC可以輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。圖2所示為CAPZero在典型應(yīng)用中的使用情況。


 圖2:CAPZero的典型應(yīng)用。
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每款CAPZero器件均采用集成AC損耗檢測(cè)器和背靠背MOSFET的SO-8封裝。當(dāng)存在AC輸入電壓時(shí),CAPZero保持關(guān)閉狀態(tài),阻擋電流進(jìn)入放電通路,消除功率損耗。AC電壓消失后,CAPZero開啟,接通電阻,允許輸入濾波電容放電。CAPZero通過(guò)AC線路自行供電,在230VAC輸入時(shí)功耗低于5mW。
  
CAPZero有兩種電壓等級(jí)(825V和1kV)和八個(gè)電流額定值(從0.25mA到2.5mA)。在直接跨接市電電源的情況下,CAPZero的高壓浪涌抵抗能力顯得至關(guān)重要。在大部分消費(fèi)類產(chǎn)品應(yīng)用中,825VCAPZero器件可以與金屬氧化物壓敏電阻(MOV)一起使用。對(duì)于浪涌要求高達(dá)3kV的應(yīng)用,可以將1kVCAPZero器件與MOV配合使用。
  
圖3描述了CAPZero器件在極端條件下的工作情況。在該測(cè)試中,AC輸入連接松散,以便在觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。測(cè)試表明,CAPZero器件不會(huì)因電弧的發(fā)生而保持“鎖存關(guān)斷”,而且,它可以準(zhǔn)確檢測(cè)AC功率損耗并在AC斷電后對(duì)X電容進(jìn)行安全放電。


 圖3:CAPZero265VAC/50Hz,空載;VIN100V/div。

CAPZero可以有效隔離電阻R1和R2,使設(shè)計(jì)師能夠自由優(yōu)化C1、L1和其他輸入濾波元件的值。在增大X電容值同時(shí)不增加功耗的情況下,可以進(jìn)一步減小共模/差模扼流圈的值,甚至省去此類元件。這樣不僅能節(jié)省空間和成本,而且還可以提高電源效率。
  
在消除市電輸入的電流消耗之后,接下來(lái)需要消除電路中的那些即使在待機(jī)狀態(tài)下也會(huì)連續(xù)消耗功率的其他元件的電流消耗。在較高功率應(yīng)用中,在高壓母線與功率因數(shù)校正(PFC)和DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源控制器之間可能存在多條信號(hào)通路。例如包括PFC系統(tǒng)中連接升壓控制器的前饋或反饋信號(hào)通路,以及雙開關(guān)正向/LLC/半橋和全橋轉(zhuǎn)換器中的前饋信號(hào)通路。PI的第二款新產(chǎn)品是SENZero,它可以在不需要這些信號(hào)通路時(shí)將它們隔離,從而消除不必要的功率損耗。SENZero的典型應(yīng)用如圖4所示。


圖4:SENZero的典型應(yīng)用。
  
在該應(yīng)用中,內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路在檢測(cè)到VCC引腳電壓后,向內(nèi)部的650VMOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種簡(jiǎn)單配置將系統(tǒng)VCC母線用作SENZero的輸入端,可輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。VCC母線在電源進(jìn)入待機(jī)模式后關(guān)斷,從而關(guān)斷SENZero器件的MOSFET,使每個(gè)通路中的功耗大幅降低到500μW以下。
  
通過(guò)使用像CAPZero和SENZero這樣的創(chuàng)新器件,電源設(shè)計(jì)師即可大幅降低空載和待機(jī)模式下的功耗水平。如果主流電源采用這些待機(jī)功耗接近于零的設(shè)計(jì),那么它們?cè)谏a(chǎn)起來(lái)也會(huì)變得經(jīng)濟(jì)可行。對(duì)于歐盟委員會(huì)來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)在2020年之前將歐盟待機(jī)耗電量幾乎降低75%的目標(biāo)是一件非常容易的事情。

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