10mW 待机功耗低成本反向解决方案

作者：Adnaan Lokhandwala ，德州仪器 (TI) 产品经理

就低功率AC/DC 转换而言，反向拓扑因其结构简单和成本低仍然是人们的首选。只需使用少量的外部组件，这种拓扑便可提供一个或多个输出，实现非常宽的输入电压范围。它能够以隔离和非隔离方式使用，适用于大量应用，例如：智能电话和平板电脑的电池充电器；电视机、桌面计算机和各种家用电器的辅助电源；便携计算机、机顶盒和网络设备的AC适配器等。图1显示了这些应用中一部分的典型功率电平。消费类市场中对反向拓扑结构的大量采用及其广泛的适用性（图1所示2012 年世界市场估计出货量超过数十亿件），让它成为对所有性能指标进行优化的一个理想选择，例如：成本、效率和待机功耗等。



在大多数应用中，反向转换器都是墙上充电器/适配器的单独外部电源。在一些情况下，它们为更大型设备的一部分供电，或者在设备不执行其主要功能时提供待机功率，以维持一些系统功能，例如：用户显示和远程控制等。在所有情况下，反向转换器的待机功耗都被严格监控，目的是在转换器闲置时最小化总-功耗。例如，AC墙上充电器中使用的反激电源，其批量生产型产品的待机功耗规格小于30mW。如果实际电源的待机功耗仅为10mW ，那么节省出来的20mW 可以为漏电电路组件带来更大的余量，例如：输入滤波器、电容和各种偏置组件，从而降低总解决方案成本。同样，低待机功耗的反向转换器可以允许在待机模式下运行更多的系统功能，并同时让终端设备总功耗保持最小。

推动绿色电源发展

在电源行业，有关电源效率和待机功耗的发展计划和规范有很多，但因终端设备、功率电平和管理部门不同而各异。在美国，有加州能源委员会与环保局颁布的“能源之星.”，欧盟有“待机功耗发展计划”等，诸如此类。在大概了解这些节能计划之后，我们可以清楚地知道，它们都有一个共同的主题—不断降低轻负载和无负载/待机的功耗。世界许多地区还正在推行一些针对外部电源待机功耗和轻负载工作效率的强制和自愿规定。

在美国，加州能源委员会于2013 年2月开始在本州实施一项电池充电效率标准。另外，美国能源部正在最终敲定一份草案，它将在世界范围内影响目前的电源效率规定。同样，在2013 年10月，欧洲委员会 (EC) 联合研究中心发布了外部电源能源效率规范第5版的最终草案。相比欧洲委员会目前的《节能化设计规定》(Ecodesign Directive) ，这些新近颁布的非强制性规定（降低产品工作模式效率和无负载功耗建议）更难达到。

为了确保外部电源在一些应用的闲置和待机模式下更加高效，欧洲委员会在四点工作模式平均效率规定以外，又增加了一个10% 负载状态的效率规定。另外，从2014 年开始，欧洲委员会还增加了一个针对8W以下移动手持式电池供电外部电源的附加分类，其规定必须将无负载功耗控制在75mW以下。最后，欧洲委员会能源相关产品的《节能化设计规定》（Tier 2的Lot 6 ）已在2013 年1月生效。这部分规定把家用和办公用设备的总系统待机功耗限制在低于0.5W。

10mW以下待机功耗

图2显示了一个待机功耗低于10mW 的隔离式反激转换器的典型构架。图中显示了，一次反激中对待机功耗影响最大的4个关键要素（使用A到D四个字母标识）及其相关成本。一般而言，这种类型的转换器会将其输出电压与一个次侧基准电压进行比较。一个光隔离器用于在隔离层之间传输误差信号。



这种方法存在两个基本问题。首先，低成本基准器件（如广泛使用的 TI TL431分路稳压器）需要一个最小阴极偏置电流（~1 mA），其与所有状态下的负载转换器均无关。其次，标准光耦合器结构在无负载状态下时消耗大部分的电流。请注意，为了达到低于10mW 的待机功耗，反馈控制可能需要使用一个成本更高的基准器件，例如：超低偏置电流的TI TLV431 分路稳压器。

解决这个问题的一个方法是，使用一个带一次侧稳压的恒定电压、恒定电流（CVCC ）控制器，例如：TI 的UCC28710 。这种控制器可以简化AC/DC 设计，并提高其性能。UCC28710 可在5%精确度范围内稳压反馈输出电压和输出电流，无需光耦合器反馈。另外，它还处理来自一次侧电源开关和变压器辅助绕组的信息，以实现精确的输出CVCC 控制。
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为了降低其无负载功耗，转换器负载降低并且控制器把其平均电流消耗降至95 μA时，控制器进入智能睡眠模式。控制算法对转换器的开关频率和一次电流的峰值大小进行调制，并同时维持MOSFET 谷值开关，以在线压和负载之间实现高转换效率。最后，由于高压IC技术的发展，外部HV启动MOSFET 也被集成到控制器中，进一步减少了组件数量，并简化了解决方案（请参见图3a）。



反向转换器开关的选择要根据具体的应用和性能要求。在一些情况下，相比MOSFET ，双极面结型晶体管 (BJT) 是一种更好的选择。从根-本上讲，BJT成本比功率MOSFET 更低，因为它们的制造过程中的工艺更简单，层数更少，特别是面向高压（≥700V ）和低功耗应用时，更是如此。今天，超高压（>900 V）BJT 是较为经济的选择，在工业市场以及一些AC工作电压差异较大的地区，离线电源中使用基于BJT的设计具有较大的吸引力。

使用BJT的转换器拥有更低的制造成本，因为它们常常具有更低的di/dt和dV/dt开关应力，无Y电容的EMI兼容更容易，不要求共模扼流圈，并且变压器结构更简单。另外，由于较为缓慢的关闭di/dt，变压器漏电感的一部分能量可在BJT关闭过渡期间耗散掉，从而消除了一些设计中对于缓冲器电路的潜在需求。在反面，BJT承受着更高的开关损耗，被限于更低开关频率的一些设计，并且要求复杂的驱动方案。

图3b显示了驱动一个BJT的高集成度解决方案。UCC28720控制器集成了一个驱动器，它根据转换器负载，动-态地稳压基极电流大小。这样可以确保BJT始终工作在最佳开关状态下，即使是更高功率的AC/DC 设计，开关和传导损耗也都最小。



两个5V/1A USB 充电器用于描述前面的一些点。图4简单列出了它们的-测试数据。请注意，该控制器让低于10mW 的超低待机功耗成为现实。经过优化的调制和驱动方案，还帮助实现高平均效率，以达到世界上大多数严格的能耗规定。参考2和3给出了这些设计的完整测试数据和一份材料清单。图4包括了一个高功率5V/1.5A 设计的测试数据，目的是说明这种BJT型解决方案可以提供80+%的平均效率。