針對(duì)綠色模式應(yīng)用的自舉電路

1 引言

節(jié)約能源的需要極大地推動(dòng)了離線電源低待機(jī)功耗的發(fā)展。全球許多國(guó)家都在采用綠色模式標(biāo)準(zhǔn)。歐盟行為準(zhǔn)則 (EU Code of Conduct) 就是一個(gè)不錯(cuò)的例子，其具有非常嚴(yán)格的待機(jī)功耗規(guī)范。2001 年，歐洲的離線轉(zhuǎn)換器輸入待機(jī)功耗被規(guī)定在 1W 左右，到了 2007 年，大多數(shù)應(yīng)用的待機(jī)功耗要求低于 0.5W。在離線電源中，設(shè)計(jì)人員已通過(guò)使用減少開(kāi)關(guān)損耗的準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器及頻率返送技術(shù)滿足了這些規(guī)范?？墒褂玫拿宽?xiàng)技術(shù)都將用于消除電源在待機(jī)模式下的損耗，甚至是自舉電路帶來(lái)的功耗也會(huì)使電源無(wú)法滿足這些嚴(yán)格的待機(jī)輸入功耗要求。該應(yīng)用報(bào)告對(duì)僅在啟動(dòng)期間有一定功耗的自舉電源技術(shù)進(jìn)行了評(píng)論，并使?jié)M足這些新的綠色模式規(guī)范的要求變得更輕松。

表 1 2001 年至 2007 年歐盟行為準(zhǔn)則

2 傳統(tǒng)的自舉電路

圖 1 顯示了一款由脈沖寬度調(diào)制器 (PWM) 控制的離線反向轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的輸入為一個(gè) 85V (VIN(min)) 到 265V RMS (VIN(max)) 的通用輸入。該示意圖顯示了 PWM 控制器的偏置電壓 (VAUX) 是由一個(gè)反激式變壓器的輔助繞組提供。電阻器Rt 和 CHOLD 形成自舉電路。

圖 1 采用傳統(tǒng)自舉啟動(dòng)的離線電源

3 傳統(tǒng)自舉電路存在的問(wèn)題

一旦器件對(duì)開(kāi)關(guān) FET 進(jìn)行有源驅(qū)動(dòng)，PWM 控制器將消耗大約 0.25W 的功耗。通常，要對(duì)保持電容 (CHOLD) 的大小進(jìn)行規(guī)定，以在電源啟動(dòng)時(shí)為該器件提供電源。在大多數(shù)應(yīng)用中，CHOLD 的大小介于 50μF 至 100μF 之間。就該例子而言，我們將使用最壞情況下的 100μF 持續(xù)電容。該例子中的 PWM 具有一個(gè)大約 9V 的啟動(dòng)閾值，和大約 500μA 的啟動(dòng)電流。設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)82-kΩ 的電阻器作為一個(gè)連續(xù)補(bǔ)充充電電阻器。這樣可以容許大約 1.5mA 至 4.5 mA 的連續(xù)補(bǔ)充充電電流對(duì)保持電容器充電。Rt﹑CHOLD 以及 PWM 控制器的啟動(dòng)閾值決定了啟動(dòng)所需的最短時(shí)間。該配置中的自舉電路能在大約 200ms 到 640ms 的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行啟動(dòng)。唯一的問(wèn)題在于 82-kΩ 電阻器在最大輸入電壓 (VIN(max)) 情況下可能要消耗大約 1.7 W (PRT) 的功耗，且未能通過(guò)歐盟待機(jī)模式行為準(zhǔn)則。

設(shè)計(jì)人員可能采用的另一個(gè)方法是為連續(xù)補(bǔ)充充電電阻分配一個(gè)功率預(yù)算 (PLIM)，從而通過(guò) EU 規(guī)范。就這個(gè)設(shè)計(jì)例子而言，我們?nèi)菰S連續(xù)補(bǔ)充充電電阻消耗 0.1W 的最大功耗。這就需要一個(gè)大約 1.4MΩ 的連續(xù)補(bǔ)充充電電阻 (Rt)。這種方法唯一的問(wèn)題在于電源將需要大約 3 到 11 秒的時(shí)間開(kāi)啟電源轉(zhuǎn)換器。而這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)時(shí)間太長(zhǎng)了。

4 解決方案

可以對(duì)圖 2 中的電路進(jìn)行配置，從而為離線電源轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)快速啟動(dòng)，同時(shí)在上電之后功耗極低，甚至沒(méi)有功耗。這就使設(shè)計(jì)人員更輕松地滿足待機(jī)功耗要求。該電路需要一個(gè)快速啟動(dòng)，以保持正常運(yùn)行。大多數(shù)離線電源都具有一個(gè)電源開(kāi)關(guān) (S1)，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，其將輸入功耗迅速加載于電路。

圖 2 低功耗待機(jī)自舉電路

該電路構(gòu)成了一個(gè)定時(shí)串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器。電氣組件 R1 和 C1 組成自舉電路的時(shí)序。電阻器 R2 、R3 以及并聯(lián)穩(wěn)壓器 D2 設(shè)定啟動(dòng)時(shí)的 VAUX 電壓。一旦電路暫停運(yùn)行，它將被關(guān)閉，進(jìn)入無(wú)功耗模式，從而使設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)滿足綠色模式規(guī)范要求。當(dāng) C1 放電時(shí)，二極管 D1 將以一個(gè)負(fù)電壓保護(hù)電路中的其他電氣組件。電阻器 R4 限制了流入 Q4 的電流，從而使晶體管保持在其安全工作區(qū)域內(nèi)。該電路的配置并不困難，并且可以根據(jù)下列的方程式進(jìn)行配置。

規(guī)定了 VSHUNT 的大小，將輔助電壓 (VAUX) 設(shè)為剛好高于控制器件的 UVLO 開(kāi)啟閾值。在串聯(lián)旁通穩(wěn)壓器暫停運(yùn)行之前，該電壓一直為控制器件提供電源。一旦電路暫停運(yùn)行，晶體管 Q1 將關(guān)閉，同時(shí)自舉電路將不再有任何功耗并節(jié)約能源，從而使?jié)M足綠色模式規(guī)范要求變得更輕松。

通過(guò)選用 R3，并知道并聯(lián)穩(wěn)壓器 D2 的內(nèi)部參考 (VREF)，可以計(jì)算出 R2 的值。

對(duì)電阻器 R1 的大小做出規(guī)定，以為并聯(lián)穩(wěn)壓器器提供一個(gè)偏置電流 (IBIAS(D2))。應(yīng)對(duì)該電阻器的大小做出規(guī)定，以容許最少 3 到 4 倍的最小偏置電流（該最小偏置電流為并聯(lián)穩(wěn)壓器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的推薦值）。這一電阻器可能由若干個(gè)串聯(lián)電阻器組成，以滿足 375V 的高輸入電壓要求。

根據(jù)電路啟動(dòng)所需的自舉時(shí)間 (tBOOT) 規(guī)定電容器 C1 的大小。5 個(gè) RC 時(shí)間常量后，自舉電路將暫停運(yùn)行。

5 自舉電路性能

在一個(gè)配置有圖 2 中 所示組件的離線反向電路中，構(gòu)建自舉電路并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。保持電容 (CHOLD) 為兩個(gè)并聯(lián)的 47-μF 電容。該電路在試驗(yàn)室中完成構(gòu)建和測(cè)試。將 120V 和 375V 的 dc 應(yīng)用于輸入端，對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。這些輸入電壓為該設(shè)計(jì)最小及最大線壓的峰值輸入電壓。測(cè)試顯示，自舉電路能夠受以大約 50ms 到 100ms 的時(shí)間為該器件供電。與圖 1 所示的連續(xù)補(bǔ)充充電電阻器技術(shù)相比，這大約快了 6 到 10 倍的時(shí)間。自舉電路在大約 400ms 后暫停運(yùn)行。可以通過(guò)范圍圖中的 V1 跡線，觀察到這一現(xiàn)象。

圖 3 將 120V DC 應(yīng)用于輸入端進(jìn)行啟動(dòng)

圖 4 將 375V DC 應(yīng)用于輸入端進(jìn)行啟動(dòng)

6 結(jié)論

在離線電源設(shè)計(jì)中，對(duì)待機(jī)功耗要求越來(lái)越嚴(yán)格和苛刻。到 2007 年，歐盟待機(jī)功耗行為準(zhǔn)則將其降至低于 0.5W?，F(xiàn)在，正使用頻率返送以及 0 電壓和 0 電流開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)滿足這些規(guī)范。設(shè)計(jì)人員需要消除任何可能的損耗，從而滿足這些要求。上述的自舉電路比傳統(tǒng)方法更為快速。啟動(dòng)之后，該電路也會(huì)自行關(guān)閉，這就消除了不必要的功耗，并使設(shè)計(jì)人員更輕松地滿足綠色模式規(guī)范。