- 電流消耗產(chǎn)生的原因
- 超低功耗的開關電源的設計要點
- 增大電容容量并減小扼流圈
- 隔離不需要的信號通路
消除待機功率
此類電量的節(jié)省會對整個國家的發(fā)電站配備要求產(chǎn)生直接影響，并且，它已成為各監(jiān)管機構所頒布的能效法規(guī)中的關鍵內(nèi)容。以電視機接收器為例，包括能源之星和歐盟生態(tài)標簽(EUEco-Label)在內(nèi)的眾多能效計劃現(xiàn)在都將最大待機功耗規(guī)定為1瓦。作為其節(jié)能計劃的組成部分，歐盟委員會已針對用能產(chǎn)品(EuP)的待機和關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格。自2010年起，新產(chǎn)品的待機功耗必須低于1瓦。到2011年，具體數(shù)值將進一步減小，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。
設計超低功耗的開關電源
如今的開關電源控制器IC已達到相當先進的水平，設計周密，足以滿足待機功耗標準。電源設計師只需遵循應用指南即可獲得可接受的設計。但要想使待機功耗達到標準的十分之一或更低，則需要更加關注細節(jié)。必須對每個電源元件進行優(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電源設計中需要優(yōu)化的區(qū)域。
圖1：用PowerIntegrations的TOPSwitch-HX優(yōu)化過的開關電源。
這款20W電源(DER-188)能夠在0.3W輸入功率下提供0.2W的待機輸出功率，在230VAC下的空載功耗極低，小于100mW。但是，如果要進一步降低待機功率，使其盡可能接近零，該怎么辦呢?
首先會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，因為它們直接跨接在輸入兩端，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險，安規(guī)機構規(guī)定電容值高于100nF的電容的自動放電時間常數(shù)必須小于1秒。電阻R1和R2的作用就是對電容C1進行放電。這兩個電阻通常以串聯(lián)方式連接，以便達到安規(guī)機構的單點故障測試要求。
從功率預算的角度來看，這些電阻的存在是極不適宜的，因為無論電源是否工作，它們都會持續(xù)消耗功率。在所示的應用中，輸入濾波器使用100nF的電容C1設計而成，因此不需要使用這些電阻。但增大電容容量有很大的益處：可以相應減小扼流圈L1，從而節(jié)省尺寸、重量和成本。但對于1μF的電容來說，R1和R2的總值將必須達到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
要想實現(xiàn)待機電流接近零的目標，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可以輕松實現(xiàn)這一點。圖2所示為CAPZero在典型應用中的使用情況。
圖2：CAPZero的典型應用。
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每款CAPZero器件均采用集成AC損耗檢測器和背靠背MOSFET的SO-8封裝。當存在AC輸入電壓時，CAPZero保持關閉狀態(tài)，阻擋電流進入放電通路，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230VAC輸入時功耗低于5mW。
CAPZero有兩種電壓等級(825V和1kV)和八個電流額定值(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重要。在大部分消費類產(chǎn)品應用中，825VCAPZero器件可以與金屬氧化物壓敏電阻(MOV)一起使用。對于浪涌要求高達3kV的應用，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。在該測試中，AC輸入連接松散，以便在觸點產(chǎn)生電弧。測試表明，CAPZero器件不會因電弧的發(fā)生而保持“鎖存關斷”，而且，它可以準確檢測AC功率損耗并在AC斷電后對X電容進行安全放電。
圖3：CAPZero265VAC/50Hz，空載;VIN100V/div。
CAPZero可以有效隔離電阻R1和R2，使設計師能夠自由優(yōu)化C1、L1和其他輸入濾波元件的值。在增大X電容值同時不增加功耗的情況下，可以進一步減小共模/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狀態(tài)下也會連續(xù)消耗功率的其他元件的電流消耗。在較高功率應用中，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通路，以及雙開關正向/LLC/半橋和全橋轉(zhuǎn)換器中的前饋信號通路。PI的第二款新產(chǎn)品是SENZero，它可以在不需要這些信號通路時將它們隔離，從而消除不必要的功率損耗。SENZero的典型應用如圖4所示。
圖4：SENZero的典型應用。
在該應用中，內(nèi)部柵極驅(qū)動和保護電路在檢測到VCC引腳電壓后，向內(nèi)部的650VMOSFET提供柵極驅(qū)動信號。這種簡單配置將系統(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母線在電源進入待機模式后關斷，從而關斷SENZero器件的MOSFET，使每個通路中的功耗大幅降低到500μW以下。
通過使用像CAPZero和SENZero這樣的創(chuàng)新器件，電源設計師即可大幅降低空載和待機模式下的功耗水平。如果主流電源采用這些待機功耗接近于零的設計，那么它們在生產(chǎn)起來也會變得經(jīng)濟可行。對于歐盟委員會來說，實現(xiàn)在2020年之前將歐盟待機耗電量幾乎降低75%的目標是一件非常容易的事情。
