美国人把为许多消费设备供电的低功耗离线顶插式电源叫做“壁瘤”(wall-warts)。降低待机能耗的行动威胁着传统变压器/线性稳压器的电源模型,迫使设计师考虑开关模式电源替代方案,但这种方案要付出什么代价呢?
要 点
.节能措施已列入法令全书;
.对于节能而言,线性电源架构已经失去魅力;
.简单的开关电源在竞争低成本非隔离电源市场;
.隔离电源得益于低功耗芯片;
.免费软件简化了磁性元件的设计。
非隔离式电源 IC
制造非隔离式离线电源的传统方法是将电阻器和电容器串联构成一个 RC 降压电路(见附文“剖析”)。电路通过电容器的作用,将电压与电流作 90°相移,电容器就能作为无损耗电阻器而工作在理想状态。让我们回忆一下为早期收音机供电的电子管加热器,在英国的 Vintage Radio 网站上,它与计算元件的 Excel 电子表一起被列为杰出的技术进步。今天,这一电路的各种变形出现在各种白色家电上,如洗衣机控制器等,但它们的非载荷效率很差,因为为微控制器或其他敏感元件稳定供电需要用齐纳旁路稳压器。电容器的尺寸与电阻器的功耗也限制了这种电路的功耗,在现代设计中它的典型耗电不大于 30 mA,相关实例可见飞利浦半导体公司的应用注释(参考文献 1)。
在电流只有数 mA 的情况下,在一个不太明显的离线降压电路实例中(图1)省去稳压步骤可以获得尺寸、成本与效率的好处。本例是一个数字温度设置点控制器的前端,运放与电阻器桥在交流电路上构成一个阻性分压器的下臂。可熔电阻器R1与半波整流器 D1 将电流引入滤波电容器 C1,为双运放和辅助电路供电,以便控制三端双向可控硅。测量显示,非载荷电流约为 1mA,当驱动级(图中未画)脉冲式驱动三端双向可控硅栅极时,电流上升至约 3mA平均值。可控硅在电路工作时导通,在待机状态时关闭,从而获得 66% 的效率,在此期间,模拟 Vcc 电压会从 21V(待机状态)降至 13V(工作状态),这对大多数模拟电路而言足够了。
需要稳压和需要类似于多数 RC 降压电源的功率电平的非隔离式电路可得益于 Supertex公司独有的 SR03x 芯片。该类器件为 8 管脚 3.3V 或 5V 稳压输出,是一种通用输入、无电感、双输出电源,适宜高达 1.5W 的应用(图 2).未经稳压的线路电压标称为 12V,如果用一只齐纳管将芯片的接地浮动,就能够将输出电压任意设为接近输入电平。使用带散热片的 SO-8 封装时,稳压输出时芯片可以提供
Houslip 指出,当使用该公司的 GN2470 时,最佳效率约为 40%,因为IGBT 与其竞争产品 MOSFET相比, 正向压降更低。由于 IGBT 比 MOSFET 慢,因而可以省掉导通器件栅极电路中可选的 RC 滤波器,该电路能抑制 EMI。省掉电感可以节约不少成本。与主要批发商以及目录供应商提供的数据相类似,电源预计价格建议电源的材料成本约为 1.40 欧元。作为比较,采用 Supertex HV9910 和三只电感将交流电压作二次降压转换,从而获得一个恒流供给大功率 LED,该设计的成本约为 4 欧元,其中电感就占 1.77 欧元。该设计(Supertex 提供 HV9910DB5 演示板)来自于准备在中国进行生产的一个客户,因为在中国电感十分便宜。今天流行的是用目录上的元件制作原型,而到海外作批量采购。有一家瑞典公司将欧洲的设计专长与海外制造能力结合起来,这就是 Toroid 国际公司,它在英国也有设计与营销企业。
Power Integrations公司的 LinkSwitch-TN系列可提供80mA~360 mA 的适用电流,采用单个存储电感和小型电路输入扼流圈的非隔离设计。LNK304能够以连续导电模式提供170 mA电流,它得益于能实现通用输入、12V/120 mA输出的降压转换器的参考设计和评估板(EP48)。该芯片集成了一只700V的 MOSFET,还有以固定 66 kHz 速率作导通元件切换的控制电路,以一只标准的 1mH 电感提供高达 120 mA 电流。芯片根据反馈信号来跳跃开关周期,从而对输出电压进行稳压,并通过内部电流设定限制了电感峰值电流。这种结构与传统的 PWM 控制器不同,后者是改变开关的占空比。在没有任何反馈超过 50 ms 时,芯片进入自己的 800 ms 自动起动周期,提供过载和短路保护,直到故障状况解除为止。对成本的估计是,使用主流分销商的元件价格时,在 5000 件批量下不高于 2 欧元,电感占 0.75 欧元。
隔离要求使用SMPS
无论是数瓦的充电器还是高达 120W 的笔记本电脑,外置电源都毫无例外地要求有安全隔离。这一领域活跃的厂商包括 ASIC Advantage公司、Fairchild Semiconductor公司、Philips Semiconductors公司、Power Integrations(PI)公司、STMicroelectronics(ST)公司和 Texas Instruments(TI)公司。IPS 18 是 ASIC Advantage 公司最新的隔离式SMPS 控制器,该公司以 In-Plug 商标销售自己的离线产品。该器件面向极低待机功耗的应用,具有从 30kHz 至 150 kHz 的宽工作频率范围,占空比从 0% ~66%。它采用了称为“hiccup-mode”稳压方法,实际是过载保护的一个有效特例,即芯片监控外接 MOSFET 初级侧的电流,以控制向 SMPS 隔离变压器提供的能量。在轻负载情况下采用周期跳跃方法可降低电路功耗,并且还能通过一只 100Ω 电阻器将芯片 Vcc 管脚拉至地电位,从而关断初级电路。
Fairchild公司 最近推出了它 FPS(Fairchild 功率开关)系列的低待机功耗版,现在该系列覆盖 4.8W 至 170W。在该范围的低端,FDS200/210 适用于普通充电器和辅助电源的 5W 区域。这两款芯片非常类似,FDS 200 省掉了变压器偏置绕组,但其内部的 7V并联稳压器的功耗略有增加。FDS210 也可在无负载状态下实现脉冲串模式运行,使待机功耗降至 0.1W 以下。两款芯片均使用固定的 134 kHz 工作频率,具有 ±4 kHz 的频率调制,将辐射扩展到更宽的带宽上,便于解决EMC 问题。控制方法是用光耦反馈、0%~65%占空度的 PWM。另外还有一个内部起动开关用于软起动,几种保护机制包括带滞后的欠压锁定、逐个脉冲限流,以及热关断。芯片有一个自动重新起动模式,采用省去通常8 脚封装第 6 管脚的 7 脚 DIP 封装,
Power Integrations 公司最近也扩展了自己的器件系列,现在能够覆盖 2W ~ 290W。近来的测试证明了它易于设计和具备可靠的电路性能,系列产品商标是 LinkSwitch,代表产品是 LNK500(参考文献 2)。现在,该公司正在用两个新产品系列努力满足最新一轮低功耗墙式适配器的效率要求,这些要求很快将在欧洲、美国、澳大利亚和中国生效:用于 2W 电源的是 LNK562/563/564 LinkSwitch-LP 系列,用于 4W(封闭式)或者6W(开放式)的是 LNK362/363/364 LinkSwitch-XT 系列。Power Integrations公司 仍提供很多参考设计,它们均能满足全球的效率要求,同时具有最少的元件数量以及最低的制造成本。芯片采用隔离式回扫结构,必要时可以用光耦反馈实现更严格的稳压。还值得注意的是,该公司的应用支持扩展到了它的 Green Room,从全球多个代理机构提供有关效率与未来稳压的升级与指导。
LNK564 适合用于替换线性变压器的应用,对线性变压器来说,电压与电流的稳定性相对较宽松,LNK564电路可以从通用交流输入线获得 2W 功率,平均效率为 60%,无负载功耗低于 150 mW(图 4)。LNK36x 系列采用了一种常见的 132 kHz 开关频率,通过改变电流极限来适应替换物的功耗水平,LNK56x 系列则共享通用的 136 mA 电流极限,但开关频率在 66kHz、83kHz 和 100 kHz 之间变化,以实现 1.3W、1.7W 和 2W 的不同输出功耗。该公司欧洲销售总监 Ben Sutherland 指出,这种产品策略使设计师能为整个系列使用一种变压器设计,并省掉变压器初级绕组的箝位。“通过精心设计变压器以及硅片 ±7% 的严格电流极限,约束了电压反射,从而无需箝位保护,同时,变压器的设计也省掉了一般为满足 EMC 目标所必需的 Y 电容。”后一种步骤将
新芯片的特点是提高了安全性,如很宽滞后的75℃过热关断。Sutherland 称使用低成本 SRBP(合成树脂胶合纸)印制电路板时,这种预防措施是很有必要的,因为这种电路板的平均耐受温度低于100℃。中档的 LNK363 的批量价格不到 2 美元,可以帮助设计师降低典型的 3W 稳压电源制造成本。与之相比,Sutherland 指出,传统的低成本离线设备中占统治地位的自激振荡 RCC(环状扼流圈转换器)设计几乎没有任何保护措施。此外,RCC 设计不可能将无负载功耗降到可接受的限度,因为它们会在轻载时提高开关频率,有损效率(见附文“剖析”)。
磁性元件设计是关键
Sutherland 在强调变压器设计的重要性时认为,应在变压器中对平衡和抵销屏蔽进行仔细布局,在 10W左右的很多应用中,无需共模扼流圈或 Y电容器就可能满足 EMC 标准。他举例说,EE-16变压器的典型价格约为0.20美元(批量50万件),并指出该公司与德国的 Kaschke公司和Vogt Electronic公司以及印度的Hical Magnetics公司有伙伴关系,它们都专门提供适合PI设计的变压器。PI Expert Suite 设计软件现在也包括变压器设计程序,它能产生有关结构的详细指令,包括满足EMC要求的屏蔽选择,以及线轴上绕组的精确绞合。电路设计软件的其他改进包括支持负极性输出、额定二极管电桥正向电流与反向电压,以及将设计结果输出为 Word 和 Html 格式的功能。
STMicroelectronics(ST)公司功率 MOSFET 营销经理 Maurizio Guidice 说,在离线充电器市场上,效率与成本、尺寸与重量都是重要的差异化因素。“消费者只是不喜欢沉重的大家伙。充电器比手机还重的产品是无人问津的。”他还估计,在 5W ~ 7W 范围内,开关模式设计的成本会很快低于等效额定值的线性电源的一半。ST 的 Viper 系列就是为满足这个市场需求的产品,它包括数种集成 PWM 控制器以及功率 MOSFET IC,在直流输入电压为 600V ~ 700V 时最大输出电流范围为0.352A ~ 3A。Giudice 将 600V~800V电压看作今天离线通用输入 MOSFET 应用的“分水岭”,他所在公司现在销售适合于大功率电源的 400V ~ 1kV 分立器件,出于热管理和成本因素,这些电源以今天的工艺技术无法与控制逻辑集成。
ST 的低功耗 Viper12A是面向从通用输入交流电路获得 5W 功率电平的电源,采用 SO-8 封装,稍高功率的(8W)则用 DIP 封装。此外,该芯片可以将待机功耗降到 100 mW 以下,因此适合于全球的大多数离线充电器应用,这一点也符合欧盟准备在 2006 年以后对墙挂式适配电源的要求。另外它还可以用于白色家电中最低成本的非隔离电源配置。该器件内部包括一个固定频率为60 kHz的振荡器,以及一个控制 MOSFET 的中央逻辑块。该芯片采用电流模式 PWM 拓扑,包括监控电源线欠压和过压、芯片过热以及输出驱动级电流的内部电路的输入。电流检测反馈管脚提供整体设置点控制,当供给低输出电流时自动将芯片切换至脉冲串模式。这种安排可以在 8 脚封装上有效地安置四个连接,分别为 MOSFET 的漏与源,以及控制逻辑的反馈与 Vdd,Vdd电源一般取自辅助变压器绕组和二极管-电容器电路。宽松的 9V ~ 38V 工作电压范围进一步降低了实施成本。
为了帮助用回扫拓扑设计来配置SMPS,ST 免费下载的 Viper Design 软件套件可使工程师实现电路性能变化的估计,特别是传导损耗、发热问题以及针对一组输入变量的效率估计。用户可以用软件面板修改重要参数,如交、直流电路输入参数、变压器配置、Viper 器件选择,以及输出规格。更重要的是,该软件可以对用户选择的几个输出值自动完成变压器设计,并且有详尽的信息,如建议的磁芯材料和绕组结构,以及计算功耗和核心温升(图 5)。另外还有一个令人印象深刻的波形仿真器,可以绘出多种参数的轨迹,如 MOSFET 漏极电压和电流、电路增益和相位,以及总功耗、效率与输入电压和输出功率的关系。材料清单可以立即用于硬件原型设计。
德州仪器(TI)公司已经有
英国政府更关注家庭,它估计没有实际使用的家电每月要消耗7.6 亿kWhr,等效于1 GW 的连续输出,或该国总电耗的2.25%(参考文献 3)。该报告强调“市场转型”是法规的补充,倾向于对未来改善效率而对各种相关团体的开发策略进行组织。该报告引用机顶盒作为一个重要例证,表示过去几年来,由于市场转型原因,机顶盒的平均功耗已从 27W降至12W-15W。但值得注意的是,表示这一结果“只不过缓和了糟糕的现状”,并将市场转型描述为“一种有限伤害的运动”,言外之意是设计师可以继续期待法规能迫使实行能效标准。
图 A 中的RC 降压电路来自一个直接插入230V、50 Hz插座上的夜光灯,它证明了那些真正对成本敏感的设计所使用的一些技术。元件R1和C1为桥式整流器馈送约9VAC电压,为带有一条未经过滤的线路的控制部分提供约7.5V电压(AC+DC、无负载)。标称为 X 级的安全电容器C2与熔丝电阻器R1一起提供初级浪涌保护,而R2和R3则确保电容器的安全放电路径。用户在从墙上插座拔下电源时,经常会不小心碰触到管脚而发生由于泄漏电流导致的刺痛问题,提供放电路径就可以避免出现这种情况。
齐纳管将Q2的集电极初始直流电压箝位到一个安全值,为琥珀色LED提供电流,即Osram PowerTOPLED,它能承受2.2V典型正向电压下的70 mA 连续电流。固定值的 R5 和光敏电阻R6构成一个阻性分压器,其比率随环境光的强度而变化,对Q1的导通作调制,这样Q2改变进入LED的电流,从零至27 mA。整个电路负荷在LED熄灭时为38.54 mA电流,而在全亮时为38.64 mA。假定为LED提供能量是电路的目的,那么在消耗约9W时效率只有糟糕的0.26%,功率因数只有0.14,这是RC降压方案固有的低性能结果,但这对此类低功耗电源并不重要,因为最终产品在零售商货架上只卖不到4欧元。
如正文中所说,Supertex 的SR03x芯片能与RC降压电路竞争。那么它们能实现什么性能?通过对SR036-DB2演示板的测量显示,在无负载时电流为3.93 mA,功率因数为 0.25,电压为3.35V和17.4V。可惜,下次上电时演示板却没有这种性能了,而且原因无法立即查明。但一个技术公告板上有篇“SR03x上电浪涌保护”解释了这一现象,当在 230VAC 电源的正弦波峰值处起动设备时,经常会发生这种故障。然后IGBT或MOSFET 的栅源寄生电容会将电荷注入器件栅极,使之难以接通输出存储电容器,即刻出现短路,从而损害了导通元件和芯片。解决方法是用一只晶体管和一只电阻器将3A峰值电流限制一个足够的时间,使 SR03x 有时间得到导通元件的控制,即图 2 中虚线区所示。
这种情况提醒我们,与交流线路电压打交道不是儿戏,即使是功率不大的场合。它还特别提醒采用隔离变压器和变容二极管的倾向,因它们会在接通时产生很强的反电势反射进供电的设备。演示板说明警告说不要使用任何这类变压器,它们的“大电感会干扰SR036 的正常运行”,这是用户在规范所有测试达到230V时很容易漏掉的问题。但在其他情况下,这也意味着变压器潜在的有损电压反射作为一个原始的瞬态发生器用于评估浪涌保护措施的效果方面可能很有用。
对230V、50Hz输入的第二组直接测量表明,SR036 的无负载输入电流为5.1 mA,功率因数为0.3,或约1.2W 和5VA。无负载电压为3.38V,并有1V峰峰值的50 Hz纹波,在16.48V 时有大约750 mV 的线路频率突破。电路作为低频调制器确保没有可感知的高频能量。当稳压输出为20mA时,整体耗电增加到25mA,而输出掉至3.35V、750mV功耗,表明检测电路也可以通过进一步过滤而获益。在未稳压输出端接一个25mA负载会再增加5mA的交流线路电流需求,同时未稳压输出降至11.6V,包括1V峰峰值的100 Hz锯齿波。这些负载条件经过20℃环境下的稳定之后,SR036的表面温度上升至48℃,它有散热金属片封装,和两块面积14mm×6.5mm的印制电路板作为散热片,而GN2470的双侧 16mm×34mm散热片则能将其外壳温度限制在21℃。这些结果显示,SR03x具有优