如何實(shí)現(xiàn)隔離電源的低待機(jī)功耗

許多電源，尤其是離線電源，都需要較低的待機(jī)功耗。對(duì)于低于 100 W 的功率水平，最具成本效益的隔離拓?fù)涫欠醇な?，因?yàn)樗枰慕M件最少。反激式轉(zhuǎn)換器通常會(huì)產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)輸出，這需要相對(duì)精確的調(diào)節(jié)。本文將描述在實(shí)現(xiàn)良好調(diào)節(jié)的輸出電壓的同時(shí)仍實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗的挑戰(zhàn)。

低功率AC/DC反激式電源廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電器等工業(yè)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)良好的電壓調(diào)節(jié)和低待機(jī)功耗。隔離式低功耗設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用通常需要多個(gè)輔助輸出。圖 1顯示了從通用輸入(85 V AC至 265 V AC )生成輸出 V OUT1和 V OUT2的反激式拓?fù)涫纠Ｗ儔浩?T1 在交流電源線(市電)和負(fù)載之間提供電流隔離。輔助繞組 AUX 為初級(jí)側(cè)反激式控制器供電。

圖 1多輸出反激式的簡(jiǎn)化原理圖，可在交流電源線和負(fù)載之間提供電流隔離。

如何降低待機(jī)功耗

讓我們簡(jiǎn)要回顧一下已知的降低待機(jī)功耗的技術(shù)。待機(jī)功率主要取決于循環(huán)能量、啟動(dòng)電路、緩沖網(wǎng)絡(luò)和最小負(fù)載要求。降低空載開關(guān)頻率并使用有源啟動(dòng)電路和齊納緩沖器網(wǎng)絡(luò)而不是電阻電容二極管緩沖器可以降低待機(jī)功耗。不幸的是，其他電路特性也會(huì)增加待機(jī)損耗。因此，提前制定一項(xiàng)策略有助于保持較低的待機(jī)功耗。

電源設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一是不可能構(gòu)建理想的電路，因?yàn)槿魏螌?shí)際的電路板都必須處理寄生電容和電感以及系統(tǒng)中的噪聲。

當(dāng)生成兩個(gè)或多個(gè)隔離輸出時(shí)，這些挑戰(zhàn)會(huì)變得更加嚴(yán)重，如圖 1 所示。通常，電壓控制環(huán)路僅調(diào)節(jié)一個(gè)輸出;但通常情況下，電壓控制環(huán)路僅調(diào)節(jié)一個(gè)輸出。變壓器繞組的耦合半調(diào)節(jié)另一個(gè)輸出。圖 2顯示了一個(gè)輸出的調(diào)節(jié)。外部誤差放大器 (U1)通過電阻分壓器(R high1、 R low1 )連接至輸出 V OUT2。光耦合器有助于將誤差信號(hào)傳輸?shù)匠跫?jí)側(cè)。

圖 2連接到 V OUT2的外部誤差放大器原理圖顯示了一個(gè)輸出的調(diào)節(jié)。

由于變壓器繞組的耦合，另一個(gè)輸出 V OUT1 (3.3 V) 僅是半調(diào)節(jié)的。但是，在輕載或空載條件下的待機(jī)模式下會(huì)發(fā)生什么情況呢?為了回答這個(gè)問題，請(qǐng)考慮圖 3 ，它顯示了 V OUT1 (3.3 V) 和 V OUT2 (12 V)的次級(jí)繞組電壓(也稱為次級(jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn))。

圖 3在輕載或空載條件下，次級(jí)側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的過沖可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

您可以輕松識(shí)別超調(diào)，然后在接通時(shí)間結(jié)束后振鈴?；旧希跫?jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的過沖會(huì)反映到次級(jí)側(cè)。在輕載或空載條件下，這種過沖可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于未穩(wěn)壓輸出而言，因?yàn)樗ㄟ^輸出二極管 D1 和 D2 為輸出電容充電，如圖 1 所示。過沖可能導(dǎo)致未穩(wěn)壓輸出電壓升至非常高的價(jià)值。

意外過沖和振鈴的主要原因是什么?這是功率級(jí)和電路板的寄生效應(yīng)，包括變壓器的漏感。漏感是由變壓器中不與其他繞組耦合的一個(gè)繞組的磁通量引起的。該能量消散到變壓器外部并發(fā)生過沖。圖 4顯示了主開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，它基本上是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 的漏極至源極電壓。

圖 4主開關(guān)節(jié)點(diǎn)是 MOSFET 的漏極至源極電壓。

變壓器漏感的影響

既然您已經(jīng)了解了過沖如何對(duì)輕負(fù)載的交叉調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利影響，那么問題就出現(xiàn)了：為什么不將其強(qiáng)力鉗位呢?通常，緩沖器鉗位電路將過沖電壓限制在一定水平。鉗位電路吸收存儲(chǔ)在變壓器漏感中的能量，并且根據(jù)鉗位電壓的值，還將吸收一小部分磁化能量。隨著鉗位電壓下降，鉗位中損失的能量迅速增加。

由于能量損耗較高，因此必須允許一定的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過沖。最小過沖主要取決于漏感。使用現(xiàn)有變壓器，不可能將過沖限制在每個(gè)預(yù)期水平。在訂購定制變壓器樣品之前，您必須考慮優(yōu)化的變壓器結(jié)構(gòu)。目標(biāo)應(yīng)該是最小化漏磁電感與磁化電感的比率。

漏感很大程度上取決于物理繞組的幾何形狀。一般來說，有兩個(gè)變化會(huì)減少漏感：減小初級(jí)和次級(jí)繞組之間的電介質(zhì)間距以及增加它們之間重疊的表面積。因此，使用交錯(cuò)繞組結(jié)構(gòu)和更寬的繞線管并將各層進(jìn)一步移到一起將導(dǎo)致低漏感。不幸的是，需要權(quán)衡。這些變化通常涉及增加寄生繞組間電容，從而增加共模電磁干擾。因此，您應(yīng)該從一開始就與變壓器制造商密切合作，以找到優(yōu)化的變壓器結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，讓我們?cè)俅慰纯瓷蓛蓚€(gè)輸出的設(shè)計(jì)：3.3 V (V OUT1 ) 和 12 V (V OUT2 )。某些應(yīng)用需要對(duì)較低輸出電壓進(jìn)行更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，因?yàn)樗ǔＰ枰^小的容差。假設(shè) V OUT1 (3.3 V) 將被調(diào)節(jié)，而較高的輸出電壓 V OUT2 (12 V) 將保持不受調(diào)節(jié)。因此，V OUT1被調(diào)節(jié)至3.3V，而變壓器繞組的匝數(shù)比決定V OUT2。即使在輕負(fù)載下，這種配置也適用于具有低寄生效應(yīng)(包括低漏感)的系統(tǒng)。

然而，如果漏感很大，繞組的耦合很差，過沖也很大，那么交叉調(diào)節(jié)就不再好，因?yàn)樽儔浩骼@組電壓比不再與繞組匝數(shù)比成正比。因此，V OUT2可以非?？焖俚厣仙?，很容易變?yōu)轭A(yù)期水平的兩倍甚至更大。電阻器或齊納二極管會(huì)限制電壓，但也會(huì)顯著增加待機(jī)功耗。因此，您需要考慮其他可能性。

因此，調(diào)節(jié)較高的輸出電壓V OUT2可能會(huì)有所幫助，而不是調(diào)節(jié)較低的輸出電壓。如果未調(diào)節(jié)的輸出V OUT1通常不超過V OUT2的值，則原則上低壓輸出最多可以達(dá)到高壓輸出的電平。這意味著在某些情況下，調(diào)節(jié)較高的電壓是有利的，因?yàn)檫@樣做將在系統(tǒng)中保持較低的絕對(duì)最大電壓。

與往常一樣，需要進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)閷?duì)不受監(jiān)管的輸出的監(jiān)管會(huì)更差。一種折衷方案是同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)輸出，如圖5所示。只要您不需要輸出之間的隔離，這種方法就很有效，但有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)闊o法以非常高的精度調(diào)節(jié)任何輸出。

圖 5該原理圖顯示了連接到 V OUT1和 V OUT2 的外部誤差放大器。

另一種替代方案是采用一個(gè)輸出的內(nèi)環(huán)路(連接到光耦合器的陽極)和另一個(gè)輸出的外電壓環(huán)路，以實(shí)現(xiàn) V OUT2的精確調(diào)節(jié)并在一定程度上改善調(diào)節(jié)性能。由于最終調(diào)節(jié)在很大程度上取決于功率級(jí)組件和布局的寄生電容和電感，因此建議在實(shí)驗(yàn)室中評(píng)估替代方案。

現(xiàn)代反激式控制器

現(xiàn)代反激式控制器可以實(shí)現(xiàn)非常低的待機(jī)功耗，因?yàn)槊}寬調(diào)制算法可以改變開關(guān)頻率和初級(jí)電流，同時(shí)保持不連續(xù)導(dǎo)通模式。該算法降低了輕負(fù)載的開關(guān)頻率和峰值電流。借助現(xiàn)代反激式控制器，某些應(yīng)用甚至可以實(shí)現(xiàn)低于 20 mW 的待機(jī)功耗。然而，在設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須避免導(dǎo)致功耗增加的因素。

為了實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗，必須通過使用有源啟動(dòng)電路降低開關(guān)頻率和初級(jí)峰值電流以及減少次級(jí)側(cè)預(yù)負(fù)載電阻來減少每個(gè)周期從輸入獲取的能量。良好的布局還可以降低系統(tǒng)中的噪聲，而初級(jí)和次級(jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的合適緩沖網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步降低噪聲和過沖。最后，不要忽視變壓器;除了控制器之外，它是電源中最重要的部分。