零待機(jī)功耗設(shè)計(jì)方案

在2011 IIC-China上，PI公司展示了兩款零待機(jī)功耗解決方案，其中一款是基于其集成離線式開關(guān)IC - LinkZero-AX的零待機(jī)功耗方案，吸引了很多整機(jī)設(shè)計(jì)工程師。我們都知道，電子產(chǎn)品在待機(jī)時(shí)一般都是主電源不工作，而輔助電源處于工作狀態(tài)，PI的LinkZero-AX采用了一種新的斷電模式，可在電源空載時(shí)有效關(guān)斷輔助電源。斷電模式可由微控制器獲取的信號(hào)觸發(fā)，它可以完全關(guān)斷開關(guān)操作和內(nèi)部開關(guān)控制電路，從而消除這些不需要的功能所浪費(fèi)的能量。在斷電模式下，LinkZero-AX并沒有終止工作，通過復(fù)位脈沖或按鍵操作即可將IC喚醒。

“其實(shí)這里提出的零待機(jī)功耗并非完全待機(jī)功耗為零，只是待機(jī)功耗降低到非常低的水平，一般10毫瓦的待機(jī)功耗可以測出，但到了10毫瓦以下，測量都很困難，所以可以稱為零功耗！” Power Integrations市場營銷副總裁Doug Bailey指出。實(shí)際測量表明，LinkZero-AX能將高功率消費(fèi)類產(chǎn)品及電器的待機(jī)功耗降低至4 mW，甚至接近零瓦。（按照IEC 62301第4.5條規(guī)定，低于5 mW的待機(jī)功率視為零功耗。）

隨著節(jié)能環(huán)保成為共識(shí)，更低的待機(jī)功耗技術(shù)也受到消費(fèi)者的重視，據(jù)了解，電器產(chǎn)品在待機(jī)時(shí)所消耗的電能，已經(jīng)成為一種嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。據(jù)中國節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一個(gè)城市家庭中有待機(jī)功能的家用電器有將近10余種，每月平均待機(jī)功耗在15-30瓦之間，這個(gè)數(shù)字占到家庭電力消耗的10%左右。也就是說，每個(gè)月你支付的電費(fèi)里面，有一成是為待機(jī)買單，所以節(jié)能技術(shù)還有深挖的潛力。

“另一種待機(jī)現(xiàn)象是充電器。例如，手機(jī)充電器一般在充滿電后，很多用戶沒有及時(shí)斷電，導(dǎo)致充電器在待機(jī)狀態(tài)繼續(xù)消耗電流。” Doug強(qiáng)調(diào)，“采用了我們的方案后，可以杜絕這樣的現(xiàn)象發(fā)生。”針對這種零待機(jī)需求，PI推出了LinkZero-LP 產(chǎn)品，它適合充電器和適配器。LinkZero-LP采用了新的控制技術(shù)，能使器件自動(dòng)進(jìn)入空載模式并可以從空載模式中被喚醒，而空載功耗也是4 mW DD這遠(yuǎn)低于IEC規(guī)定的零空載功耗標(biāo)準(zhǔn)。

“LinkZero-LP可以自動(dòng)監(jiān)測負(fù)載，當(dāng)負(fù)載去除后進(jìn)入斷電模式，再次施加負(fù)載后自動(dòng)重新激活。”Doug指出，“另外，其啟動(dòng)及工作時(shí)的IC供電直接來自于漏極引腳，無需使用啟動(dòng)電路。通過內(nèi)部振蕩頻率的抖動(dòng)大大降低了準(zhǔn)峰值和平均值的EMI，從而降低濾波器成本。”

目前，PI提供小功率零待機(jī)方案，如下圖所示。



圖1 PI 2.1W CC/CV充電器方案，基于PI LinkZero-LP器件，待機(jī)功耗接近于0



圖2 PI 1.5W非隔離式反激式電源，待機(jī)功耗接近于0

Doug 透露PI將來會(huì)從兩個(gè)方向發(fā)展零待機(jī)功耗產(chǎn)品，一個(gè)方向是進(jìn)一步降低待機(jī)功耗，向真正的“零功耗”發(fā)展，另一個(gè)方向是將產(chǎn)品適用領(lǐng)域擴(kuò)展到更高功率產(chǎn)品，例如白家電、大型電器設(shè)備等等。由于平板數(shù)字電視日益普及，其開機(jī)需要時(shí)間，加上很多用戶已經(jīng)知道開機(jī)瞬態(tài)電流對家電的損害非常大，所以很多中國用戶不再采用CRT電視時(shí)代使用的直接斷電的模式，而是讓電器處于待機(jī)狀態(tài)，這樣的使用習(xí)慣急需零待機(jī)功耗產(chǎn)品的面世。

現(xiàn)在，除了PI，飛兆半導(dǎo)體、NXP等公司也開始推出零待機(jī)功耗產(chǎn)品。相信在不久的將來，零待機(jī)功耗電器將迎來普及的時(shí)代。

背景知識(shí)：開關(guān)電源待機(jī)功耗機(jī)理分析

目前，大多數(shù)100W以下的電子設(shè)備，如電源適配器、充電器、無繩電話、ADSL路由器、LCD顯示器和DVD等等，都是采用離線反激式開關(guān)電路，將電網(wǎng)提供的85V～275V交流電轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需要的直流電壓。正常工作狀態(tài)下，反激式開關(guān)電源的損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以及控制電路的損耗。待機(jī)狀態(tài)下，由于系統(tǒng)的輸出電流接近于零，導(dǎo)通損耗可以忽略，開關(guān)損耗和控制電路的損耗成為主要的系統(tǒng)待機(jī)功耗。降低待機(jī)功耗，應(yīng)著眼于開關(guān)損耗和控制電路的損耗的降低。




上圖給出反激式開關(guān)電源在待機(jī)狀態(tài)下的主要損耗類型，其功率管開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗、變壓器磁芯損耗、輸出整流管反向恢復(fù)損耗以及緩沖器損耗都屬于開關(guān)損耗。各種類型的開關(guān)損耗都與開關(guān)頻率有關(guān)，降低開關(guān)頻率可以減少開關(guān)損耗。控制電路的損耗主要表現(xiàn)為啟動(dòng)電阻上的損耗，而啟動(dòng)電阻的損耗直接與整流后的直流母線電壓和啟動(dòng)電阻數(shù)值有關(guān)。在保證寬電壓輸入的工作條件下可以通過降低啟動(dòng)電流的方法來降低啟動(dòng)電阻損耗。