超低功耗开关电源设计

要想减缓人类在能源使用过程中对环境所造成的影响，最有效方式就是降低产品的功耗。降低带载功耗是最明显的需要。但在产品并不执行任何工作的待机模式下，降低功率损耗的需要却似乎并不明显。

家用设备和电源适配器的待机耗电量相当巨大。美国劳伦斯伯克力国家实验室估计，在美国家庭一年的总电费中，待机和空载损耗超过50亿美元。据国际能源机构(IEA)统计，5%至15%的家庭耗电量(因国家/地区而异)都是在待机模式下产生的；欧盟委员会估计欧盟地区每年约产生50太千瓦时(TWh)的待机耗电量。

现在，许多消费类产品OEM制造商所生产的电子设备都具有超低待机功耗，但真正的目标还是要尽可能地接近零功耗。Power Integrations新推出的两款高压MOSFET可以帮助设计师将电路中的耗能元件隔离开，从而达到优化设计和实现零空载功耗的目的。

消除待机功率

此类电量的节省会对整个国家的发电站配备要求产生直接影响，并且，它已成为各监管机构所颁布的能效法规中的关键内容。以电视机接收器为例，包括能源之星和欧盟生态标签(EU Eco-Label)在内的众多能效计划现在都将最大待机功耗规定为1瓦。作为其节能计划的组成部分，欧盟委员会已针对用能产品(EuP)的待机和关断模式损耗颁布了用能产品指令Lot 6。Lot 6于2009年初生效，其要求比以往更为严格。自2010年起，新产品的待机功耗必须低于1瓦。到2011年，具体数值将进一步减小，输出功率≤ 51W的适配器将降至300mW，输出功率> 51W的适配器将降至500mW。

2008年，在EuP Lot 6定稿时，所设定的目标值接近当时最佳可行技术所能达到的最高水平。但是，随着开关电源IC的快速发展，待机功耗水平现在已远远低于当时的规定限值。许多消费类知名品牌的公司都认识到了这一情况，他们要求的功耗特性都远远高于各项国家标准。例如，多家大型电视机及显示器OEM制造商都已设定了100mW的最大待机功耗限值，计算机领域的一些OEM制造商已设定了更低的30mW待机功耗限值。这些限值都大大低于国家能效法规的要求。

设计超低功耗的开关电源

如今的开关电源控制器IC已达到相当先进的水平，设计周密，足以满足待机功耗标准。电源设计师只需遵循应用指南即可获得可接受的设计。但要想使待机功耗达到标准的十分之一或更低，则需要更加关注细节。必须对每个电源元件进行优化，使每次调整都能节省一定的功耗。图1所示为典型反激式开关电源设计中需要优化的区域。

图1：用Power Integrations的TOPSwitch-HX优化过的开关电源。

这款20W电源(DER-188)能够在0.3W输入功率下提供0.2W的待机输出功率，在230VAC下的空载功耗极低，小于100mW。但是，如果要进一步降低待机功率，使其尽可能接近零，该怎么办呢？[!--empirenews.page--]

首先会想到的元件是输入滤波器。该元件始终与市电电源直接相连，因此这里的任何电流消耗都必须消除。电阻R1和R2也比较突出，因为它们直接跨接在输入两端，且与X电容C1并联。如果电源已断电，断开瞬间的市电电压会保留为电容中的直流电荷，因此存在于电源插头引脚。由于存在潜在的电击风险，安规机构规定电容值高于100nF的电容的自动放电时间常数必须小于1秒。电阻R1和R2的作用就是对电容C1进行放电。这两个电阻通常以串联方式连接，以便达到安规机构的单点故障测试要求。

从功率预算的角度来看，这些电阻的存在是极不适宜的，因为无论电源是否工作，它们都会持续消耗功率。在所示的应用中，输入滤波器使用100nF的电容C1设计而成，因此不需要使用这些电阻。但增大电容容量有很大的益处：可以相应减小扼流圈L1，从而节省尺寸、重量和成本。但对于1μF的电容来说，R1和R2的总值将必须达到1M?的最大值。在230VAC输入下，电阻将连续消耗53mW的功率。

消除电流消耗

要想实现待机电流接近零的目标，就必须找到能消除R1和R2连续电流消耗的解决方案。Power Integrations新推出的CAPZero IC可以轻松实现这一点。图2所示为CAPZero在典型应用中的使用情况。

图2：CAPZero的典型应用。

每款CAPZero器件均采用集成AC损耗检测器和背靠背MOSFET的SO-8封装。当存在AC输入电压时，CAPZero保持关闭状态，阻挡电流进入放电通路，消除功率损耗。AC电压消失后，CAPZero开启，接通电阻，允许输入滤波电容放电。CAPZero通过AC线路自行供电，在230 VAC输入时功耗低于5 mW。

CAPZero有两种电压等级(825V和1kV)和八个电流额定值(从0.25mA到2.5mA)。在直接跨接市电电源的情况下，CAPZero的高压浪涌抵抗能力显得至关重要。在大部分消费类产品应用中，825V CAPZero器件可以与金属氧化物压敏电阻(MOV)一起使用。对于浪涌要求高达3kV的应用，可以将1kV CAPZero器件与MOV配合使用。

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图3描述了CAPZero器件在极端条件下的工作情况。在该测试中，AC输入连接松散，以便在触点产生电弧。测试表明，CAPZero器件不会因电弧的发生而保持“锁存关断”，而且，它可以准确检测AC功率损耗并在AC断电后对X电容进行安全放电。

 

图3：CAPZero 265 VAC/50 Hz，空载；VIN 100 V/div。

CAPZero可以有效隔离电阻R1和R2，使设计师能够自由优化C1、L1和其他输入滤波元件的值。在增大X电容值同时不增加功耗的情况下，可以进一步减小共模/差模扼流圈的值，甚至省去此类元件。这样不仅能节省空间和成本，而且还可以提高电源效率。

在消除市电输入的电流消耗之后，接下来需要消除电路中的那些即使在待机状态下也会连续消耗功率的其他元件的电流消耗。在较高功率应用中，在高压母线与功率因数校正(PFC)和DC/DC转换器的电源控制器之间可能存在多条信号通路。例如包括PFC系统中连接升压控制器的前馈或反馈信号通路，以及双开关正向/LLC/半桥和全桥转换器中的前馈信号通路。PI的第二款新产品是SENZero，它可以在不需要这些信号通路时将它们隔离，从而消除不必要的功率损耗。SENZero的典型应用如图4所示。

图4：SENZero的典型应用。

在该应用中，内部栅极驱动和保护电路在检测到VCC引脚电压后，向内部的650 V MOSFET提供栅极驱动信号。这种简单配置将系统VCC母线用作SENZero的输入端，可轻松集成到现有系统中。VCC母线在电源进入待机模式后关断，从而关断SENZero器件的MOSFET，使每个通路中的功耗大幅降低到500 μW以下。

通过使用像CAPZero和SENZero这样的创新器件，电源设计师即可大幅降低空载和待机模式下的功耗水平。如果主流电源采用这些待机功耗接近于零的设计，那么它们在生产起来也会变得经济可行。对于欧盟委员会来说，实现在2020年之前将欧盟待机耗电量几乎降低75%的目标是一件非常容易的事情。