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分享降低轻负载功耗的五个设计小窍门

Brian King 德州仪器 (TI) 应用工程师?? 2012年03月06日 ?? 收藏0
电源而言,要想满足当今苛刻的效率要求是颇具挑战性的。光是理解终端设备、电源点评以及管理机构间众多不同的计划和指令就已经很困难了。这些指令包括能源指令、加利福尼亚能源委员会以及欧盟待机效率倡议等。然而,当您快速浏览一下其中任何一项能源节约计划,就会意识到电源设计人员面临的最大的一个挑战就是最小化轻负载和无负载时的功率损耗。下面就介绍五种降低离线反向电源功耗的方法。

1、挑选一款“绿色”控制器。

控制器芯片是电源的中枢。选择一款专门为降低轻负载损耗而设计的器件是满足大多数待机要求的关键的第一步。幸运的是,电源控制器芯片厂商通过推出新一代绿色模式控制器以达到对更高能效器件的要求。

这些绿色模式反向控制器中的大多数都为电流模式控制,因此其控制信号包括了电源输出端上负载大小的信息。轻负载时,该控制器进入一种触发模式。在触发模式期间,这些控制器将会在开启和关闭状态间切换。在关闭状态下,该控制器基本上进入睡眠状态并且电源的功率组件处于空闲状态(不进行切换)。由于在关闭期间不会发生电源传输,因此输出电压开始下降。绿色模式控制器会监控输出电压并最终进入开启状态以补充输出电压。大部分的功率损耗都是发生在开启状态,因此开启-关闭占空比会大大影响整体效率。开启状态通常会持续数百微秒的时间,而就极轻的负载而言关闭状态会根据负载的情况可持续数十毫秒的时间。

触发模式的一个负面影响是会导致输出端上一个额外的低频率纹波电压。在开启状态时,输出包括了与电源正常开关相关的典型纹波电压。然而,在触发频率下会带来更多的纹波含量,如图 1 所示。由于触发频率很低,用一个 L-C 滤波器对其进行衰减是不切实际的。相反最好通过增加输出电容来减少低频输出电压偏离。

图1 触发模式运行会导致一个低频纹波电压分量
图1 触发模式运行会导致一个低频纹波电压分量

除了触发模式运行以外,大多数绿色模式控制器都实施了其他能源节约特性,如通过控制器降低静态电压。许多控制器都使用准谐振开关来提升所有负载级别下的效率。准谐振反向电源使用了由变压器漏极电感和寄生电容形成的谐振来以更低的损耗启动。

2、最小化启动电阻中的损耗。

大多数反向控制器都会自变压器的辅助绕组生成其自己的偏置电源。但是它们需要设法完成初始启动。从传统上来说,这一工作是通过将一个电阻由整流 AC 电压连接至控制器 VCC 引脚实现的。该电阻要足够低才能使该控制器具有足够的电流在最低的 AC 输入电压下开启。该电阻过低会导致过多的功耗并且不利于实现理想的兼容性。

控制器所需的启动电流通常会罗列在产品说明书电气特性表格的顶端附近。最新的绿色模式控制器将该电流下降低到了 50 μA 以下。就必须要运行在 85V~265V 常见的 AC 输入电压范围的电源而言,使用一个 2 MΩ 的上拉电阻将会确保在低电压时至少 50 μA 的启动电流。在额定的 120V US 线路电压时(通常需要兼容性测试),该电阻仅消耗 13 mW 的功耗。虽然 13 mW 可能不会打破功率预算,但在额定的 230V 欧洲线路电压下,电阻器的功率损耗就会增加 4 倍之多。根据应用和待机期间系统负载的不同,52mW 可能就是一个很大的功耗了。

一些控制器可以接通一个晶体管提供启动电流,该晶体管在控制器完成一个成功的启动序列后就会关闭。该晶体管会额外增加外部组件数量,有时也会包括在控制器 芯片之中。无论是哪种情况,该额外的高电压晶体管都会增加成本敏感产品的成本。此外,将该晶体管像控制器那样集成到同一个封装中会导致漏电、清除和可靠性问题。

控制器使用了一种和处理该启动电流相似的方法,其实施了一个与功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)连接的级联,如图 2 所示。有了级联连接,一个 DC 电压就被施加到了 MOSFET 的栅极,而控制器通过拉低源开启 FET。该控制器可以使用 MOSFET 源连接来获得其初始启动电流。控制器通过在启动期间线性运行 MOSFET 完成上述事宜,无需额外的高压组件,且与控制器无高压连接。这种方法依然需要一个上拉电阻来提供晶体管的栅极电压,但是栅极连接通常需要 10 μA 以下的电流。

图2 级联与MOSFET连接 的控制器大大降低了启动电阻损耗
图2 级联与MOSFET连接 的控制器大大降低了启动电阻损耗

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