设计待机功耗低于1W的电源

飞兆半导体公司 Madhu Rayabhari

前言

在过去二十多年里，家庭和办公电子设备的数量与种类迅速增长。电子设备的复杂度和性能也在不断提升。增强的功能要求这些设备即使在用户关断电源的情况下，仍保持一定的功能性。以家用电视机为例，二十年前，电视机的关断机制通常是利用安装在音量控制轴上的旋扭，以旋转方式关断系统的电源。如今，这个开关已被遥控装置所替代。当然，当电源关断时电视机仍处于启动状态，并以红外接收器接收开启电视机的指令。其它多种设备也是如此，如电脑、传真机、机顶盒和微波炉等。

这种附加功能是需要付出一定代价的。大量的此类设备维持上电状态需要若干发电站满负荷运转，这会对环境造成多种影响。在很多情况下，电网并不与装机发电能力相匹配，因而导致电压下降或停电的情况。因此，世界各国政府正立法限定这些设备在待机模式下消耗的功率。例如，2001年1月生效的IEA(国际能源署) 条例要求，额定输出功率低于75W的电源在待机状态下其输入功率不应超过1W。此类要求给电源设计人员带来特定的挑战。本文将说明影响待机功耗的关键因素，并介绍一个可达到上述目标的电源设计。

影响待机功耗的因素

通过优化电源的几个关键部分，可以将待机功耗降至最低。待机功耗可分为两类 传导损耗和开关损耗。这里将找出电源设计中大量发生损耗的关键部分，并提出设计改进以减少这些损耗。

启动电阻器损耗：图1所示为常见的PWM IC供电方法 启动电阻器。在变压器绕组为PWM IC提供大量的工作功率，即上电之前，启动电阻器直接由DC链路提供电流。即使在正常工作状态下，启动电阻器也耗用功率。以一个使用常用的UC384x系列PWM IC的设计作为示例，并应用以下参数 AC输入电压：265V AC、PWM IC Vcc标称电压：15V和启动电阻器：220 K 。

对于265V AC输入电压，DC链路的电压为375V，采用标称Vcc为15V的IC，启动电阻器则消耗(75-15)2/220,000= 0.589W的功率。对于1W待机功率限制而言，它约为限定值的60%，而实际上，它是电源中最大的单个功耗源之一，属于传导损耗。

另外一个产生传导损耗的部分是MOSFET的Rds(on)，可选择Rds(on)较小的MOSFET以降低功耗。然而，Rds(on)较小的MOSFET具有较大的栅极电容，这往往会增加开关损耗。根据不同的输出额定功率，应该可以挑选到合适的MOSFET器件，在开关损耗和传导损耗之间取得适当的平衡。

利用间歇工作模式可以使待机状态的开关损耗降至最小。在待机模式下，尤其是要求输出功率达到最小时，可以让电源以间歇模式工作，输出功率由PWM 短时间间歇地提供，而不是连续提供。这种运行模式可降低传导和开关损耗。该技术已经应用于高端设计中，但直到最近，输出功率低于100W的电源设计才纳入这种功能。

满足待机功率限制的电源设计

在设计具有待机功率限制的电源时，需要找出上述的主要功率耗散源，并仔细挑选可优化整体功耗的元器件。例如，FAN7601这种绿色模式的PWM控制器具有新型的内部开关，一旦电源达到正常工作状况(启动过程结束)，就会切断启动电阻器，这样便可省去一大部分的功率损耗。除各种保护特性，如过压、过流及软启动功能外，该器件还具有间歇模式工作特性。

该器件具有内置启动电路，一旦Vcc引脚的电压达到正常工作电压，电路即可断开。这一特性能显着削减待机功耗。它具有内置间歇工作模式，工作频率可外部设定，最高300 KHz。

这种高可靠性设计具有附加的热保护和过压保护功能。表1列出了电源在各种DC链路电压和各种输出功率下的实验结果。可以看到，该设计满足了IEA有关输入功率为1W的条例要求，此时其输出功率低于0.5W 。可以看到50W适配器的设计与图1中并无显着差别，因而并未增加设计的复杂性。

结论

通过优选PWM IC，使设计中关键部位的待机损耗最小化，可以在不增加设计复杂度的情况下，达到1W待机功耗的要求。本文给出的设计还具有在满负荷条件下高效运作的特性。

来源：世界电子元器件