超低功耗開關(guān)電源設(shè)計(jì)

要想減緩人類在能源使用過程中對(duì)環(huán)境所造成的影響，最有效方式就是降低產(chǎn)品的功耗。降低帶載功耗是最明顯的需要。但在產(chǎn)品并不執(zhí)行任何工作的待機(jī)模式下，降低功率損耗的需要卻似乎并不明顯。

家用設(shè)備和電源適配器的待機(jī)耗電量相當(dāng)巨大。美國(guó)勞倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室估計(jì)，在美國(guó)家庭一年的總電費(fèi)中，待機(jī)和空載損耗超過50億美元。據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)(IEA)統(tǒng)計(jì)，5%至15%的家庭耗電量(因國(guó)家/地區(qū)而異)都是在待機(jī)模式下產(chǎn)生的；歐盟委員會(huì)估計(jì)歐盟地區(qū)每年約產(chǎn)生50太千瓦時(shí)(TWh)的待機(jī)耗電量。

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。Power Integrations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(EU Eco-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Lot 6。Lot 6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。

2008年，在EuP Lot 6定稿時(shí)，所設(shè)定的目標(biāo)值接近當(dāng)時(shí)最佳可行技術(shù)所能達(dá)到的最高水平。但是，隨著開關(guān)電源IC的快速發(fā)展，待機(jī)功耗水平現(xiàn)在已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)時(shí)的規(guī)定限值。許多消費(fèi)類知名品牌的公司都認(rèn)識(shí)到了這一情況，他們要求的功耗特性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。例如，多家大型電視機(jī)及顯示器OEM制造商都已設(shè)定了100mW的最大待機(jī)功耗限值，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一些OEM制造商已設(shè)定了更低的30mW待機(jī)功耗限值。這些限值都大大低于國(guó)家能效法規(guī)的要求。

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Power Integrations的TOPSwitch-HX優(yōu)化過的開關(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？[!--empirenews.page--]

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耍遗cX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)算的角度來看，這些電阻的存在是極不適宜的，因?yàn)闊o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的電容來說，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。Power Integrations新推出的CAPZero IC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。

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AC線路自行供電，在230 VAC輸入時(shí)功耗低于5 mW。

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，825V CAPZero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1kV CAPZero器件與MOV配合使用。

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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：CAPZero 265 VAC/50 Hz，空載；VIN 100 V/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650 V MOSFET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500 μW以下。

通過使用像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)起來也會(huì)變得經(jīng)濟(jì)可行。對(duì)于歐盟委員會(huì)來說，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。