詳解開(kāi)關(guān)電源待機(jī)功耗的分析

引言

現(xiàn)在做電源，除了效率以外，空載或者待機(jī)功耗也變得越來(lái)越重要了。這不僅是因?yàn)楦鞣N各樣的能效標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，也確實(shí)很符合實(shí)際應(yīng)用的需求，因?yàn)榇蟛糠值挠秒娫O(shè)備都長(zhǎng)期工作在待機(jī)狀態(tài)。以離線(xiàn)式的AC/DC電源為例，不同的應(yīng)用要求不一樣，有500mW、300mW、再到100mW，甚至是很多充電器所追求的10mW以下。

實(shí)際上把待機(jī)功耗做低也不是什么太高深的事兒，不需要高等數(shù)學(xué)頻譜分析什么高大上的理論，基本只是需要一些經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)要做些妥協(xié)。

功耗

先從AC輸入端說(shuō)起， 這里最大的損耗就來(lái)自于X電容放電的電阻。大部分的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)都要求1s內(nèi)把X電容的電壓放到安全電壓以下。這樣容值越大，放電的電阻就越小，損耗也就越大。舉個(gè)例子，.33uF的電容并個(gè)3M的電阻，230Vac條件下的空載損耗就有~18mW。

也就是說(shuō)為了節(jié)約這部分功耗，X電容要盡量小，這個(gè)節(jié)約成本倒也是一致的。但是必要的情況下，為了降低損耗也不得不多花點(diǎn)錢(qián)了，也就是用專(zhuān)門(mén)的X電容放電芯片，比如CAPZero或者HF81。這類(lèi)芯片可以 自動(dòng)檢測(cè)AC是否掉電，所以在正常工作的時(shí)候幾乎沒(méi)有損耗。這類(lèi)芯片放在橋前面都需要有相應(yīng)的安規(guī)認(rèn)證的，也都是比較可靠的。

也有一些吧這個(gè)功能集成到主控芯片里面的，比如FAN6756。有一個(gè)HV腳通過(guò)兩個(gè)二極管直接接到AC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)X電容放電和啟機(jī)的功能。

有些應(yīng)用需要采樣AC電壓或者Bus電壓，比如做過(guò)零檢測(cè)、繼電器或電機(jī)控制之類(lèi)的。這個(gè)采樣電阻又是一大塊損耗。如果有必要也有可能的話(huà)，可以用一個(gè)管子在待機(jī)狀態(tài)下把采樣電阻斷開(kāi)。

雖然沒(méi)這么做過(guò)，但據(jù)說(shuō)是可行的。個(gè)人感覺(jué)這個(gè)管子要注意兩點(diǎn)，一是要足夠的耐壓;二是要放在信號(hào)的上端以防后端芯片過(guò)壓，(圖中紅色箭頭位置)，為了做到這一點(diǎn)就要有個(gè)足夠高的驅(qū)動(dòng)電壓。

接著說(shuō)整流橋的后面。在母線(xiàn)上會(huì)有很多高壓器件，所以需要特別注意漏電。300V的母線(xiàn)每10uA就產(chǎn)生3mW的損耗。

半導(dǎo)體器件一般來(lái)說(shuō)都還好，像整流橋、MOSFET，關(guān)斷時(shí)的漏電基本都在1uA以下。高溫情況下會(huì)大得多，但是空載損耗基本也只看常溫條件，沒(méi)有負(fù)載電路本身也沒(méi)什么熱量產(chǎn)生。

電解電容的漏電在有些情況下就不能忽略了，電容越大漏電越強(qiáng)，基本上是和CV成正比關(guān)系的。而且電容的質(zhì)量參差不齊，質(zhì)量差的電容漏電要大好幾倍?？梢詼y(cè)試一下如果達(dá)到10uA這個(gè)數(shù)量級(jí)了使用的時(shí)候就要小心一些了。

對(duì)了，如果是比較老的或者低成本的開(kāi)關(guān)電源芯片，還有一組啟動(dòng)電阻掛在高壓母線(xiàn)上，用來(lái)提供啟機(jī)的初始電流，正常工作后一般由輔助繞組供電，啟動(dòng)電阻就沒(méi)有用了，但是功耗還在那里。

現(xiàn)在內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)電流源的芯片都不新鮮了，沒(méi)必要舉例。還用電阻做啟動(dòng)的話(huà)那是明顯沒(méi)有把待機(jī)功耗做低的誠(chéng)意了。

電源芯片

前面已經(jīng)提過(guò)了，有意做低待機(jī)功耗，至少要先一個(gè)有內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)電流源的控制芯片。如果真沒(méi)有的話(huà)，也至少要外搭一個(gè)。 一些沒(méi)有高壓引腳的芯片也提供一個(gè)控制引腳來(lái)連接外置的高壓開(kāi)關(guān)管。這樣就是BOM復(fù)雜一點(diǎn)。

芯片本身的功耗是Icc*Vcc/?。 Icc是工作電流，Vcc是工作電壓，?是轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)樾酒€(wěn)定工作的工作電壓一般都來(lái)自輔助繞組，所以?取決于開(kāi)關(guān)頻率和功率電路的設(shè)計(jì)，后面也會(huì)陸續(xù)提到影響轉(zhuǎn)換效率的一些因素。

就目前看到的水平，AC/DC類(lèi)的功能電源芯片，只要功能不是特別復(fù)雜的，Icc都應(yīng)該能做到百u(mài)A這個(gè)數(shù)量級(jí)。只有一些很復(fù)雜的芯片，比如PFC+LLC combo這種，或是大功率電源中所采用的數(shù)字芯片耗電才會(huì)在mA級(jí)別。特別大功率的電源有時(shí)會(huì)采樣輔助電源的方式來(lái)節(jié)約待機(jī)功耗。

Vcc則是取決于輔助繞組的設(shè)計(jì)。為了是芯片功耗最小化，設(shè)計(jì)的時(shí)候當(dāng)然應(yīng)采用盡量低的供電電壓。只是要注意輔助繞組提供的電源一般會(huì)隨著負(fù)載減輕而降低。必須保證Vcc在空載條件下也能保持在最低工作電壓以上。

芯片的控制方式可以說(shuō)是決定待機(jī)功耗最重要的一環(huán)。相信大家都清楚，輕載或空載狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)損耗在轉(zhuǎn)換效率中占主導(dǎo)地位。所以為了降低待機(jī)功耗，大部分電源芯片都采取載輕降頻的控制方式。以中小功率常用的反激電源為例，現(xiàn)在比較流行的一種復(fù)合控制模式如下，重載時(shí)采用PWM，隨著負(fù)載減輕頻率下降，在接近空載的區(qū)域采用Burst的工作模式進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)頻率。

這種控制方式在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)矛盾需要考慮。理論上來(lái)說(shuō)保持最大的ipk可以再空載狀態(tài)下獲得最低的開(kāi)關(guān)頻率(1/2 *Lm*ipk^2*fs)。但開(kāi)關(guān)頻率在20kHz一下就會(huì)有噪音的問(wèn)題，從這個(gè)角度來(lái)看就需要ipk越小越好。因此在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候就需要找到最佳的折衷設(shè)計(jì)了。

實(shí)際上Burst的方式也有一些細(xì)節(jié)是值得注意的。每隔100ms連出10個(gè)開(kāi)關(guān)和每10ms出一個(gè)開(kāi)關(guān)，看起來(lái)平均頻率是一樣的，但轉(zhuǎn)換效率會(huì)不會(huì)有差別呢?仔細(xì)考慮還是會(huì)有一寫(xiě)區(qū)別的。比如反激電源中，有RCD鉗位電路中的能量每次Burst都是充滿(mǎn)再放光的，這樣的話(huà)連出的開(kāi)關(guān)數(shù)多一點(diǎn)會(huì)比較好。

LLC的情況會(huì)不一樣，因?yàn)長(zhǎng)LC的Burst基本前一兩個(gè)周期把能量已經(jīng)都輸出來(lái)了，后面再開(kāi)關(guān)基本上只剩勵(lì)磁電流了，換句話(huà)說(shuō)后面出的開(kāi)關(guān)都是在做無(wú)用功，除了產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗外沒(méi)干別的。這樣就是連出的開(kāi)關(guān)數(shù)少一點(diǎn)會(huì)比較好。

原邊反饋和副邊反饋的芯片在待機(jī)功耗上的表現(xiàn)也是有所區(qū)別的。大家都知道原邊反饋的好處是省了光耦和TL431，但可以說(shuō)還有一個(gè)附贈(zèng)的禮品就是降低了空載損耗，因?yàn)楣怦詈蚑L431也都不是省油的燈。

這里是一個(gè)典型的副邊反饋的配置，空載狀態(tài)下典型的偏置電流都在500uA-1mA之間，那么假設(shè)副邊和輔助繞組的供電都是12V的話(huà)，這里就產(chǎn)生了10-20mW的損耗。哦，別忘了還要考慮轉(zhuǎn)換效率

有人減小偏置電流來(lái)降低這部分損耗，但是別忘了，滿(mǎn)載時(shí)的偏置電流空載時(shí)還要小很多。這樣做可能會(huì)影響整個(gè)的環(huán)路性能甚至失調(diào)。

再談?wù)勔恍┲苓呡o助電路設(shè)計(jì)的影響。

RCD是比較常用的吸收電路，主要是吸收漏感的能量以限制開(kāi)關(guān)管上的尖峰電壓。相信大家都清楚，RCD如果做的太強(qiáng)的話(huà)會(huì)對(duì)效率有很明顯的影響，那自然也會(huì)影響輕載效率和待機(jī)功耗。如果考慮到待機(jī)狀態(tài)下電源都是工作在極低頻率的Burst狀態(tài)下的話(huà)，實(shí)際上C的大小對(duì)待機(jī)功耗的影響比R要大得多，因?yàn)槊看蜟都會(huì)充滿(mǎn)再放光的。這部分能量就像一個(gè)假負(fù)載掛在那里 一樣

從這個(gè)角度出發(fā)，有一種做法是把C徹底拿掉，用一個(gè)TVS來(lái)代替，這樣就拿掉了這個(gè)“假負(fù)載”。

在多路輸出的應(yīng)用里面還有一些小手段可以減小待機(jī)功耗的，之前提到過(guò)作反饋用的光耦和431的損耗，這里再補(bǔ)充一點(diǎn)。在多路繞組輸出的應(yīng)用里面，光耦和431的偏置電流應(yīng)該取自電壓最低的那一路，(當(dāng)然是在不影響反饋性能的前提下)，這樣可以非常明顯的節(jié)約待機(jī)功耗。

有一種在家電、智能家居應(yīng)用中非常常見(jiàn)的兩路輸出的結(jié)構(gòu)，是基于LDO的。一般比較高的電壓是18V、12V等供風(fēng)扇、繼電器或者背光的，再通過(guò)一個(gè)LDO提供穩(wěn)定的5V或3.3V給MCU。因?yàn)轱L(fēng)扇、繼電器這些基本上在待機(jī)狀態(tài)下都是不用的，那么就可以用MCU提供一個(gè)待機(jī)信號(hào)，把18V、12V降到5-6V只要能保持MCU正常工作就行了。這個(gè)是從系統(tǒng)的角度出發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約的。