綠色電源設計

GreenLine(綠色線(xiàn)路)、Blue Angel(蘭天使)、Energy Star(能量明星——當今家電行業(yè)的關(guān)鍵詞是“節能”。

全球科技界認為：家庭和辦公室中各種裝置待機損耗的能量是環(huán)境污染的主要來(lái)源。像TV接收機、監視器、打印機和VCR這些系統處在待機模式時(shí)，問(wèn)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：“運行模式”和“等待”或稱(chēng)“待機模式”。在保持同樣系統性能的前提下，可以通過(guò)降低能量需求來(lái)實(shí)現運行模式下的節能。電源效率直接影響總系統能量的節省。待機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)準備使整個(gè)系統重新運行。

本文描述“綠線(xiàn)”電源是如何改善系統效率和節能的。

待機模式1W功耗

對于任務(wù)由墻式電源插座供電的裝置，待機模式的功耗目標是1W。而且已經(jīng)有幾種功率管理方法可用于實(shí)現此目標。用斷開(kāi)次級負載而保持電源運行的傳統技術(shù)不再是可取的。事實(shí)上，即是在禁止模式，通常的監視器或TV接收機負載呈現100mW泄漏功率。消除此泄漏功率的一種解決辦法是完全斷開(kāi)負載。另一種技術(shù)是在待機模式期間完全斷開(kāi)主電源，而設置一個(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)所遇到的困難而設計的，用它可設計一個(gè)高效率開(kāi)關(guān)電源（SMPS）。由于有效的“SMPS狀態(tài)檢測”技術(shù)，可用“次級重新配置”來(lái)執行泄漏功率抑制。這種對損耗的抑制是靠次級電源干線(xiàn)電壓的陡降（除饋送到喚醒單元的低電壓干線(xiàn)電壓之外）來(lái)實(shí)現泄漏功率抑制的。

SMPS次級重新配置

SMPS變壓器是用來(lái)分配初級/次級能量傳輸的?？砍跫壚@組與每組次級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整并呈現出最好的穩定性。

次級重新配置的原理是對所希望調整輸出的繞組匝數比進(jìn)行調節，用SMPS次級的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。開(kāi)關(guān)結構（見(jiàn)圖1）建立了高電壓繞組（高匝數比）與喚醒單元由源干線(xiàn)之間的連接。在待機時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合。在這種配置中，在ON周期存儲在變壓器初級繞組中的電源將不再傳輸給相應的輸出干線(xiàn)，而是注入到低電壓干線(xiàn)。其結果是停止向高電壓輸出供電，并迅速地向低電壓輸出充電。正常模式調整（通過(guò)TL431）應對能量要求的急劇增加，并采用與LT431并聯(lián)的齊納二極管來(lái)確保低電壓干線(xiàn)的調整。

脈沖模式工作使SMPS負載禁止

這種重新配置對SMPS工作狀態(tài)的第二個(gè)影響是相當于電源源的高電壓繞組被偏置在低電壓下。通過(guò)磁耦合，每組變壓器繞組反應出相對于其匝數比的這種低電壓。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)延與呈現在Vcc平滑電容器（圖1中C7）上的能量有關(guān)。當達到欠壓鎖定電平（UVLOL）時(shí)，芯片進(jìn)入等待狀態(tài)。在該時(shí)間結束時(shí)，芯片借助啟動(dòng)Vcc電容器（C7）重新充電過(guò)程和新啟動(dòng)狀態(tài)來(lái)試圖重新啟動(dòng)電源。假若次級重新配置仍然工作，則將重復相同的關(guān)閉時(shí)序：低電壓干線(xiàn)調整，芯片UVLOL，等待狀態(tài)，然后是另一個(gè)重新啟動(dòng)狀態(tài)。只要次級處于重新配置，此時(shí)序將重復下去。在SMPS的負載端，低電壓電容器由連續的能量包充電（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)內部的固定頻率振蕩器（頻率為40、57或100kHz），一個(gè)保證斷續電流模式工作的變壓器去磁檢測系統（也可工作在自激振蕩電源SOPS或準諧振模式），一個(gè)允許光閉環(huán)調整的并聯(lián)調整器，一種用于兩種模式（正常和脈沖模式）的完全可編程的過(guò)流感測特性，以及防備調整器失去控制時(shí)的過(guò)壓保護。

MC44608自動(dòng)選擇工作模式

此特性使得電流能自檢測SMPS次級邊是配置在正常模式還是脈沖模式，執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)能量包括結束時(shí)調整器狀態(tài)存儲的基礎上?；旧嫌袃煞N類(lèi)型脈沖模式：“hiccup mode”（打嗝模式）對應于次級過(guò)載，“pulsed mode”(“脈沖模式”)對應于次級重新配置啟動(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。為了保證這種狀態(tài)，工作占空因數只是脈沖串周期的10%。

不同的芯片狀態(tài)相（圖2）表示，在過(guò)載模式中，每次開(kāi)關(guān)時(shí)序（每個(gè)脈沖串）以過(guò)流（OC）檢測為結束。OC狀態(tài)被記憶下來(lái)并在下一個(gè)器件啟動(dòng)時(shí)，將處于“Normal”（正常）模式。在次級重新配置情況下，在工作相結束前達到調整電平，而工作相結束后存儲的狀態(tài)是無(wú)過(guò)流（NOV）。在下一個(gè)器件啟動(dòng)時(shí)模式將是“Standby”（待機）。

帶次級重新配置的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(kāi)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(xiàn)電壓上功率開(kāi)關(guān)的高擊穿安全容限。所用變壓器是Thomson-OREGA公司的10642520-P1，具體性能指標見(jiàn)表1。

表1 變壓器性能指標

反饋回路用光技術(shù)對初級/次級隔離。112V輸出干線(xiàn)用連接到TL431上的電阻分壓器進(jìn)行調整。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(xiàn)的dVout偏差。光電晶體管把此反射電流注入到調整器（引腳3）。一個(gè)內部并聯(lián)調整器把此電流變換為電壓，而電壓模式PWM控制開(kāi)通期間的功率開(kāi)關(guān)。

在次級端，用與TO-92閘流管MCR22-6串聯(lián)的快速二極管執行重新配置。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)待機開(kāi)關(guān)直接到地。待機開(kāi)關(guān)可由任務(wù)喚醒單元（如微處理器）控制。

執行重新配置的方法對電源不產(chǎn)生任何附加的應力。自閘流管點(diǎn)火類(lèi)似于次級二極管導通。到低電壓干線(xiàn)的有效連接只修正來(lái)自高電壓繞組的電平。另一優(yōu)點(diǎn)是在次級配置期間電源開(kāi)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

當工作在激勵模式期間，MC4488提供傳統反激控制器的性能。由于兩個(gè)分立過(guò)壓保護（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(wú)關(guān)，因此反應很快。由于去磁檢測，結果是安全間斷電流模式確保了對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。此功率大小概可認為是總系統功耗。另外，待機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，靠適當選擇Ton和Toff周期以及振蕩器的開(kāi)關(guān)頻率可使電源運行在SOPS模式。