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，需要較低的待機(jī)功率。對(duì)于低于 100 W 的功率水平，成本效益的隔離拓?fù)涫欠醇な?，因?yàn)樗枰慕M件少。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)的調(diào)節(jié)。本文將描述實(shí)現(xiàn)良好穩(wěn)壓輸出電壓同時(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)功率損耗。隔離式低功耗設(shè)計(jì)的典型應(yīng)用通常需要多個(gè)次級(jí)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（干線）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。資料：德州儀器
    如何降低待機(jī)功耗
    讓我們簡(jiǎn)要回顧一下降低待機(jī)功耗的已知技術(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)代替電阻-電容-二極管緩沖器可降低待機(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，提前制定有助于保持低待機(jī)功耗的策略是很有幫助的。
    電源設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一是不可能構(gòu)建理想電路，因?yàn)槿魏螌?shí)際電路板都必須處理寄生電容和電感，以及系統(tǒng)中的噪聲。

    如圖 1 所示，當(dāng)生成兩個(gè)或多個(gè)隔離輸出時(shí)，這些挑戰(zhàn)變得更大。通常，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(guò)電阻分壓器 (R high1、 R low1 ) 連接到輸出 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的外部誤差放大器的示意圖顯示了一個(gè)輸出的調(diào)節(jié)。資料：德州儀器

    由于變壓器繞組的耦合，另一個(gè)輸出 V OUT1 (3.3 V) 僅半穩(wěn)壓。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？要回答這個(gè)問(wèn)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次級(jí)側(cè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的過(guò)沖在輕載或空載條件下可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。資料：德州儀器
    您可以很容易地識(shí)別過(guò)沖，然后在接通時(shí)間結(jié)束后響鈴?；旧?，初級(jí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的過(guò)沖反映到次級(jí)側(cè)。這種過(guò)沖在輕負(fù)載或空載條件下可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于未穩(wěn)壓輸出，因?yàn)樗ㄟ^(guò)輸出二極管 D1 和 D2 為輸出電容充電，如圖 1 所示。過(guò)沖可能導(dǎo)致未穩(wěn)壓輸出電壓上升至非常高的價(jià)值。

    意外超調(diào)和振鈴的主要原因是什么？它是功率級(jí)和電路板的寄生效應(yīng)，包括變壓器的漏感。漏電感是由變壓器中一個(gè)繞組的磁通量引起的，該磁通量不耦合到其他繞組。該能量從外部消散到變壓器并發(fā)生過(guò)沖。圖 4顯示了初級(jí)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) 的漏源電壓。

    圖 4主開關(guān)節(jié)點(diǎn)是 MOSFET 的漏源電壓。資料：德州儀器
    變壓器漏感的影響
    既然您已經(jīng)了解過(guò)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(wèn)題就來(lái)了：為什么不直接鉗位它呢？通常，緩沖器鉗位電路將過(guò)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。
    由于高能量損耗，您必須允許一定的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)沖。過(guò)沖主要取決于漏電感。使用現(xiàn)有的變壓器，不可能將過(guò)沖鉗位到每個(gè)預(yù)期水平。在訂購(gòu)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)該是化泄漏與磁化電感的比率。
    漏電感在很大程度上取決于物理繞組幾何形狀。通常，有兩個(gè)變化會(huì)降低漏感：減小初級(jí)和次級(jí)繞組之間的介質(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)和更寬的骨架并將各層進(jìn)一步移動(dòng)在一起將導(dǎo)致低漏感。不幸的是，有一個(gè)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)俅慰匆幌律蓛蓚€(gè)輸出的設(shè)計(jì)：3.3 V (V OUT1 ) 和 12 V (V OUT2 )。一些應(yīng)用需要對(duì)較低的輸出電壓進(jìn)行更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，因?yàn)樗ǔＰ枰〉娜莶睢＜僭O(shè) V OUT1 (3.3 V) 將被調(diào)節(jié)，而較高的輸出電壓 V OUT2 (12 V) 將保持未調(diào)節(jié)狀態(tài)。因此，V OUT1被調(diào)節(jié)至 3.3 V，而變壓器繞組的匝數(shù)比決定了 V OUT2。這種配置適用于具有低寄生效應(yīng)（包括低漏感）的系統(tǒng)，即使在輕負(fù)載時(shí)也是如此。
    但是，如果漏感較大，繞組耦合較差，過(guò)沖較大，則交叉調(diào)整率不再良好，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可以非常快速地上升，很容易變成預(yù)期電平的兩倍甚至更大。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)功率。因此，您需要考慮其他可能性。
    因此，與其調(diào)節(jié)較低的輸出電壓，不如調(diào)節(jié)較高的輸出電壓 V OUT2可能會(huì)有所幫助。如果未穩(wěn)壓輸出V OUT1通常不超過(guò)V OUT2的值，原則上低壓輸出多可以達(dá)到高壓輸出的水平。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@樣做會(huì)在系統(tǒng)中保持較低的電壓。

    與往常一樣，需要權(quán)衡取舍，因?yàn)椴皇鼙O(jiān)管的輸出的監(jiān)管會(huì)更糟。折衷方案是同時(shí)調(diào)節(jié)兩個(gè)輸出，如圖5所示。只要您不需要在輸出之間進(jìn)行隔離，這種方法就可以很好地工作，但它有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)椴豢赡芤苑浅８叩木日{(diào)節(jié)任何輸出。

    另一種選擇是從一個(gè)輸出采用連接到光耦合器陽(yáng)極的內(nèi)部環(huán)路，從另一個(gè)輸出采用外部電壓環(huán)路，如圖6所示，以實(shí)現(xiàn) V OUT2 的調(diào)節(jié)并在一定程度上改善調(diào)節(jié)V OUT1。

    圖 6這是外部誤差放大器連接到內(nèi)環(huán)和 V OUT2的方式。資料：德州儀器
    由于終調(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)估備選方案。
    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)制算法可以同時(shí)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)功率。然而，在設(shè)計(jì)電源時(shí)，必須避免增加功耗的原因。
    為實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗，必須通過(guò)使用有源啟動(dòng)電路降低開關(guān)頻率和初級(jí)峰值電流并減少次級(jí)側(cè)預(yù)負(fù)載電阻來(lái)減少每個(gè)周期從輸入中消耗的能量。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(guò)沖。，不要忽視變壓器；除了控制器，它是電源中重要的部分。