超低電流隔離型開(kāi)關(guān)電源設計挑戰

　在非連續傳輸的通信系統中，開(kāi)關(guān)電源常常需要工作在一個(gè)相互矛盾的條件下，即要求輸入和輸出之間保持較高的隔離度和靜態(tài)電流極低的待機模式。由于工作狀態(tài)下消耗的功率遠遠高于待機功耗，這樣的組合要求增大了設計難度。由于需要在隔離和低功耗之間進(jìn)行折衷，目前商用化的電源模塊幾乎都不能滿(mǎn)足這樣的要求。

　　本文討論了對一款用于無(wú)線(xiàn)通信設備的隔離型開(kāi)關(guān)電源的測試結果，電源輸入電壓為12V，輸出3.6V，具有目前市面上最低的靜態(tài)電流。這款電源是為EGSM、WiFi和ZigBee通信模塊設計的，其遠端控制功能可以在惡劣環(huán)境下用于電機激勵和電子檢測。

　　無(wú)線(xiàn)通信在過(guò)去5年發(fā)生了突飛猛進(jìn)的增長(cháng)，并將繼續保持增長(cháng)勢頭。除了GSM和3G移動(dòng)通信系統，基于IEEE無(wú)線(xiàn)標準802.xx1各種版本的Bluetooth、WiFi、Winmax和ZigBee等新興通信技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前，包括小型無(wú)線(xiàn)監測和控制設備在內的監控需求越來(lái)越多，這樣的設備必須滿(mǎn)足苛刻的尺寸和功率要求。為了滿(mǎn)足這些要求，集成供應商必須通過(guò)高度集成的芯片來(lái)降低系統尺寸2和功耗3,4。

　　無(wú)線(xiàn)設備供電電源的一項重要指標是延長(cháng)電池的使用壽命，主要設計目標是在保證無(wú)線(xiàn)通信系統性能的前提下降低功耗。綜合上述條件，需要考慮以下設計特點(diǎn)：

非連續收發(fā)；
電源濾波或穩壓；
高效電路拓撲。
　　上述第一個(gè)特點(diǎn)取決于傳輸系統，第二個(gè)要求可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電源實(shí)現，而第三個(gè)要求則由開(kāi)關(guān)電源本身的功耗決定，另外還需要盡可能減小待機功耗。因此，通過(guò)上述三個(gè)特點(diǎn)對系統進(jìn)行優(yōu)化設計。

　　非連續收/發(fā)

　　因為無(wú)線(xiàn)系統中，發(fā)送器和接收器耗電最大，很多設備采用了非連續發(fā)送/接收方案，以?xún)?yōu)化通信鏈路的空間接口資源和效率。由于無(wú)線(xiàn)通信單元不時(shí)連續工作，有利于降低整體功耗。

　　另一方面，非連續傳輸會(huì )在電源中引入較大的電壓紋波和電流峰值5。偏置電壓的穩定性會(huì )直接影響收發(fā)器的性能，電源電壓的跌落將大大降低射頻電路的工作指標，從而很難滿(mǎn)足通信設備的規格要求。系統由蓄電池供電時(shí)，電池壽命和放電特性對負載的峰值電流也非常敏感。

　　電源濾波和穩壓

　　電源可以通過(guò)一個(gè)大電容或其它技術(shù)進(jìn)行濾波（參考文獻6）。電源電壓通過(guò)線(xiàn)性穩壓器或開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行調節，穩壓不僅僅可以降低紋波還可以減小EMI，以保持無(wú)線(xiàn)設備的工作性能。

　　大功率電源拓撲

　　電源的效率非常關(guān)鍵，因此，需選擇最佳拓撲的開(kāi)關(guān)電源。表1列出了常見(jiàn)的商用化DC-DC轉換模塊的，但這些模塊不能滿(mǎn)足我們的目標需求：空載時(shí)保持超低功耗。即使是非隔離電源在空載時(shí)也會(huì )消耗相當大的電流，我們的目標是在空載條件下將電源電流限制在12mA以?xún)?，為了達到這一目標，我們把待機電流和靜態(tài)電流按以下的方式劃分：

靜態(tài)電流是空載下保持穩壓所需的電源電流；
待機電流是當電源不為系統提供穩壓輸出時(shí)的電源電流。
　　最后，我們還需要提供隔離，在惡劣環(huán)境下為系統可靠工作提供必要的保護。

　　當前技術(shù)水平

　　上述討論表明為無(wú)線(xiàn)設備設計電源時(shí)需要考慮以下問(wèn)題：

非常低的空載功耗；
隔離；
效率和尺寸。
　　基于上述三個(gè)條件，設計高效轉換器時(shí)須注意以下三個(gè)方面：

隔離；
控制方法；
反饋回路的拓撲。
　　隔離

　　電源的輸入和輸出隔離是通過(guò)變壓器實(shí)現的，對于逆變和反激拓撲，能量?jì)Υ嬖谧儔浩麟姼袃?，?wèn)題是如何提供變壓器次級到原級的反饋。大多數系統通過(guò)使用額外的繞組或光耦實(shí)現。輔助繞組提高了復雜度，而且在低壓輸出以及負載變化時(shí)不能保證足夠精確的輸出電壓。

　　電源系統穩定工作時(shí)，光耦需要穩定的電流流過(guò)原級LED。為優(yōu)化系統，需盡可能降低該電流(圖1)。通過(guò)減小低電流下光耦的轉移系數(CTR) (10mA時(shí)63%，1mA時(shí)22%)，并降低光耦速度可以使這個(gè)電流達到最小。此外，還需要誤差比較器、精密基準TLV431的電流，使其保持在最小值(Ikmin = 100μA)。

圖1. 輸出分壓電路產(chǎn)生誤差比較器信號，用于隔離圖3所示開(kāi)關(guān)電源。