綠色電源設(shè)計(jì)

GreenLine(綠色線路)、Blue Angel(蘭天使)、Energy Star(能量明星——當(dāng)今家電行業(yè)的關(guān)鍵詞是“節(jié)能”。

全球科技界認(rèn)為：家庭和辦公室中各種裝置待機(jī)損耗的能量是環(huán)境污染的主要來源。像TV接收機(jī)、監(jiān)視器、打印機(jī)和VCR這些系統(tǒng)處在待機(jī)模式時(shí)，問題是“它們能消耗多少能量”？這些家電的能量消耗有兩種載然不同的模式：“運(yùn)行模式”和“等待”或稱“待機(jī)模式”。在保持同樣系統(tǒng)性能的前提下，可以通過降低能量需求來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式下的節(jié)能。電源效率直接影響總系統(tǒng)能量的節(jié)省。待機(jī)模式的方法有所不同：通常，元件中的“wake-block”（“換醒單元”）是永久供電的，以例隨時(shí)準(zhǔn)備使整個(gè)系統(tǒng)重新運(yùn)行。

本文描述“綠線”電源是如何改善系統(tǒng)效率和節(jié)能的。

待機(jī)模式1W功耗

對(duì)于任務(wù)由墻式電源插座供電的裝置，待機(jī)模式的功耗目標(biāo)是1W。而且已經(jīng)有幾種功率管理方法可用于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。用斷開次級(jí)負(fù)載而保持電源運(yùn)行的傳統(tǒng)技術(shù)不再是可取的。事實(shí)上，即是在禁止模式，通常的監(jiān)視器或TV接收機(jī)負(fù)載呈現(xiàn)100mW泄漏功率。消除此泄漏功率的一種解決辦法是完全斷開負(fù)載。另一種技術(shù)是在待機(jī)模式期間完全斷開主電源，而設(shè)置一個(gè)微功率副電源以支持換醒單元工作。

ON Semiconductor公司的MC44608控制器是為解決上述兩種技術(shù)所遇到的困難而設(shè)計(jì)的，用它可設(shè)計(jì)一個(gè)高效率開關(guān)電源（SMPS）。由于有效的“SMPS狀態(tài)檢測”技術(shù)，可用“次級(jí)重新配置”來執(zhí)行泄漏功率抑制。這種對(duì)損耗的抑制是靠次級(jí)電源干線電壓的陡降（除饋送到喚醒單元的低電壓干線電壓之外）來實(shí)現(xiàn)泄漏功率抑制的。

SMPS次級(jí)重新配置

SMPS變壓器是用來分配初級(jí)/次級(jí)能量傳輸?shù)??？砍跫?jí)繞組與每組次級(jí)繞組之間的匝比確定輸出電壓。在正常模式期間輸出必須被調(diào)整并呈現(xiàn)出最好的穩(wěn)定性。

次級(jí)重新配置的原理是對(duì)所希望調(diào)整輸出的繞組匝數(shù)比進(jìn)行調(diào)節(jié)，用SMPS次級(jí)的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)結(jié)構(gòu)（見圖1）建立了高電壓繞組（高匝數(shù)比）與喚醒單元由源干線之間的連接。在待機(jī)時(shí)，開關(guān)閉合。在這種配置中，在ON周期存儲(chǔ)在變壓器初級(jí)繞組中的電源將不再傳輸給相應(yīng)的輸出干線，而是注入到低電壓干線。其結(jié)果是停止向高電壓輸出供電，并迅速地向低電壓輸出充電。正常模式調(diào)整（通過TL431）應(yīng)對(duì)能量要求的急劇增加，并采用與LT431并聯(lián)的齊納二極管來確保低電壓干線的調(diào)整。

脈沖模式工作使SMPS負(fù)載禁止

這種重新配置對(duì)SMPS工作狀態(tài)的第二個(gè)影響是相當(dāng)于電源源的高電壓繞組被偏置在低電壓下。通過磁耦合，每組變壓器繞組反應(yīng)出相對(duì)于其匝數(shù)比的這種低電壓。于是，在112V輸出端得到的電壓變?yōu)?1.2V，24V輸出變?yōu)?.4V，Vcc降到1.2V。顯然，在這些條件下，Vcc降到1.2V。顯然，在這些條件下，MC44608控制器將停止工作。事實(shí)上，實(shí)延與呈現(xiàn)在Vcc平滑電容器（圖1中C7）上的能量有關(guān)。當(dāng)達(dá)到欠壓鎖定電平（UVLOL）時(shí)，芯片進(jìn)入等待狀態(tài)。在該時(shí)間結(jié)束時(shí)，芯片借助啟動(dòng)Vcc電容器（C7）重新充電過程和新啟動(dòng)狀態(tài)來試圖重新啟動(dòng)電源。假若次級(jí)重新配置仍然工作，則將重復(fù)相同的關(guān)閉時(shí)序：低電壓干線調(diào)整，芯片UVLOL，等待狀態(tài)，然后是另一個(gè)重新啟動(dòng)狀態(tài)。只要次級(jí)處于重新配置，此時(shí)序?qū)⒅貜?fù)下去。在SMPS的負(fù)載端，低電壓電容器由連續(xù)的能量包充電（脈沖模式）。

MC44608控制器

該器件是一個(gè)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，為DIP-8塑料封裝。它包含反激SMPS控制器的所有基本功能：一個(gè)具有500V電壓能力的集成啟動(dòng)電流源，一個(gè)內(nèi)部的固定頻率振蕩器（頻率為40、57或100kHz），一個(gè)保證斷續(xù)電流模式工作的變壓器去磁檢測系統(tǒng)（也可工作在自激振蕩電源SOPS或準(zhǔn)諧振模式），一個(gè)允許光閉環(huán)調(diào)整的并聯(lián)調(diào)整器，一種用于兩種模式（正常和脈沖模式）的完全可編程的過流感測特性，以及防備調(diào)整器失去控制時(shí)的過壓保護(hù)。

MC44608自動(dòng)選擇工作模式

此特性使得電流能自檢測SMPS次級(jí)邊是配置在正常模式還是脈沖模式，執(zhí)行此特性不需要芯片上的任何特殊接入引腳，因此也不需要另外的元件。此原理是基于在每個(gè)能量包括結(jié)束時(shí)調(diào)整器狀態(tài)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上?；旧嫌袃煞N類型脈沖模式：“hiccup mode”（打嗝模式）對(duì)應(yīng)于次級(jí)過載，“pulsed mode”(“脈沖模式”)對(duì)應(yīng)于次級(jí)重新配置啟動(dòng)。

在“hiccup mode”期間，重要的SMPS特性是“保持不損壞”盡管噪聲也許很大。在這種情況下，功率元件（變壓器，MOSFET和二極管）必須保持在一個(gè)可接受的溫度范圍之內(nèi)。為了保證這種狀態(tài)，工作占空因數(shù)只是脈沖串周期的10%。

不同的芯片狀態(tài)相（圖2）表示，在過載模式中，每次開關(guān)時(shí)序（每個(gè)脈沖串）以過流（OC）檢測為結(jié)束。OC狀態(tài)被記憶下來并在下一個(gè)器件啟動(dòng)時(shí)，將處于“Normal”（正常）模式。在次級(jí)重新配置情況下，在工作相結(jié)束前達(dá)到調(diào)整電平，而工作相結(jié)束后存儲(chǔ)的狀態(tài)是無過流（NOV）。在下一個(gè)器件啟動(dòng)時(shí)模式將是“Standby”（待機(jī)）。

帶次級(jí)重新配置的SMPS電路

圖1是80W TV電源電路。用MC44608只需要4個(gè)廉價(jià)電阻器。分立電源開關(guān)是MTP6N60E額定能量MOSFET。用箝位和緩沖網(wǎng)絡(luò)降低EMI輻射，促使在較高線電壓上功率開關(guān)的高擊穿安全容限。所用變壓器是Thomson-OREGA公司的10642520-P1，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 變壓器性能指標(biāo)

反饋回路用光技術(shù)對(duì)初級(jí)/次級(jí)隔離。112V輸出干線用連接到TL431上的電阻分壓器進(jìn)行調(diào)整。這種配置產(chǎn)生注入到光電二極管的電流，其值正比于112V干線的dVout偏差。光電晶體管把此反射電流注入到調(diào)整器（引腳3）。一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)調(diào)整器把此電流變換為電壓，而電壓模式PWM控制開通期間的功率開關(guān)。

在次級(jí)端，用與TO-92閘流管MCR22-6串聯(lián)的快速二極管執(zhí)行重新配置。網(wǎng)絡(luò)47kW-120pF可使閘流管點(diǎn)火與TMOS關(guān)斷（反饋電壓的上升沿）同步。在SMPS正常模式期間，由RC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電流尖峰經(jīng)待機(jī)開關(guān)直接到地。待機(jī)開關(guān)可由任務(wù)喚醒單元（如微處理器）控制。

執(zhí)行重新配置的方法對(duì)電源不產(chǎn)生任何附加的應(yīng)力。自閘流管點(diǎn)火類似于次級(jí)二極管導(dǎo)通。到低電壓干線的有效連接只修正來自高電壓繞組的電平。另一優(yōu)點(diǎn)是在次級(jí)配置期間電源開關(guān)漏極平頂電壓大大降低。事實(shí)上反激電壓以112/8分壓。

性能

當(dāng)工作在激勵(lì)模式期間，MC4488提供傳統(tǒng)反激控制器的性能。由于兩個(gè)分立過壓保護(hù)（一個(gè)在Vcc上，另一個(gè)直接感測備用繞組電壓），使它能提供高安全電平。第二個(gè)OVP與VCC電容器無關(guān)，因此反應(yīng)很快。由于去磁檢測，結(jié)果是安全間斷電流模式確保了對(duì)輸出短路性能的改善。SMPS總效率是83%。脈沖工作模式輸入功率接近1W，并在8V輸出給出300mW。此功率大小概可認(rèn)為是總系統(tǒng)功耗。另外，待機(jī)模式靠降低功率元件上的電壓提供高安全電平。必須注意，由于去磁特性，靠適當(dāng)選擇Ton和Toff周期以及振蕩器的開關(guān)頻率可使電源運(yùn)行在SOPS模式。