绿色电源设计

2006-05-07 15:49:48来源: 电子产品世界

GreenLine(绿色线路)、Blue Angel(兰天使)、Energy Star(能量明星——当今家电行业的关键词是“节能”。

全球科技界认为:家庭和办公室中各种装置待机损耗的能量是环境污染的主要来源。像TV接收机、监视器、打印机和VCR这些系统处在待机模式时,问题是“它们能消耗多少能量”?这些家电的能量消耗有两种载然不同的模式:“运行模式”和“等待”或称“待机模式”。在保持同样系统性能的前提下,可以通过降低能量需求来实现运行模式下的节能。电源效率直接影响总系统能量的节省。待机模式的方法有所不同:通常,元件中的“wake-block”(“换醒单元”)是永久供电的,以例随时准备使整个系统重新运行。

本文描述“绿线”电源是如何改善系统效率和节能的。

待机模式1W功耗

对于任务由墙式电源插座供电的装置,待机模式的功耗目标是1W。而且已经有几种功率管理方法可用于实现此目标。用断开次级负载而保持电源运行的传统技术不再是可取的。事实上,即是在禁止模式,通常的监视器或TV接收机负载呈现100mW泄漏功率。消除此泄漏功率的一种解决办法是完全断开负载。另一种技术是在待机模式期间完全断开主电源,而设置一个微功率副电源以支持换醒单元工作。

ON Semiconductor公司的MC44608控制器是为解决上述两种技术所遇到的困难而设计的,用它可设计一个高效率开关电源(SMPS)。由于有效的“SMPS状态检测”技术,可用“次级重新配置”来执行泄漏功率抑制。这种对损耗的抑制是靠次级电源干线电压的陡降(除馈送到唤醒单元的低电压干线电压之外)来实现泄漏功率抑制的。

SMPS次级重新配置

SMPS变压器是用来分配初级/次级能量传输的。靠初级绕组与每组次级绕组之间的匝比确定输出电压。在正常模式期间输出必须被调整并呈现出最好的稳定性。

次级重新配置的原理是对所希望调整输出的绕组匝数比进行调节,用SMPS次级的开关来实现。开关结构(见图1)建立了高电压绕组(高匝数比)与唤醒单元由源干线之间的连接。在待机时,开关闭合。在这种配置中,在ON周期存储在变压器初级绕组中的电源将不再传输给相应的输出干线,而是注入到低电压干线。其结果是停止向高电压输出供电,并迅速地向低电压输出充电。正常模式调整(通过TL431)应对能量要求的急剧增加,并采用与LT431并联的齐纳二极管来确保低电压干线的调整。

脉冲模式工作使SMPS负载禁止

这种重新配置对SMPS工作状态的第二个影响是相当于电源源的高电压绕组被偏置在低电压下。通过磁耦合,每组变压器绕组反应出相对于其匝数比的这种低电压。于是,在112V输出端得到的电压变为11.2V,24V输出变为2.4V,Vcc降到1.2V。显然,在这些条件下,Vcc降到1.2V。显然,在这些条件下,MC44608控制器将停止工作。事实上,实延与呈现在Vcc平滑电容器(图1中C7)上的能量有关。当达到欠压锁定电平(UVLOL)时,芯片进入等待状态。在该时间结束时,芯片借助启动Vcc电容器(C7)重新充电过程和新启动状态来试图重新启动电源。假若次级重新配置仍然工作,则将重复相同的关闭时序:低电压干线调整,芯片UVLOL,等待状态,然后是另一个重新启动状态。只要次级处于重新配置,此时序将重复下去。在SMPS的负载端,低电压电容器由连续的能量包充电(脉冲模式)。

MC44608控制器

该器件是一个功率MOSFET驱动器,为DIP-8塑料封装。它包含反激SMPS控制器的所有基本功能:一个具有500V电压能力的集成启动电流源,一个内部的固定频率振荡器(频率为40、57或100kHz),一个保证断续电流模式工作的变压器去磁检测系统(也可工作在自激振荡电源SOPS或准谐振模式),一个允许光闭环调整的并联调整器,一种用于两种模式(正常和脉冲模式)的完全可编程的过流感测特性,以及防备调整器失去控制时的过压保护。

MC44608自动选择工作模式

此特性使得电流能自检测SMPS次级边是配置在正常模式还是脉冲模式,执行此特性不需要芯片上的任何特殊接入引脚,因此也不需要另外的元件。此原理是基于在每个能量包括结束时调整器状态存储的基础上。基本上有两种类型脉冲模式:“hiccup mode”(打嗝模式)对应于次级过载,“pulsed mode”(“脉冲模式”)对应于次级重新配置启动。

在“hiccup mode”期间,重要的SMPS特性是“保持不损坏”尽管噪声也许很大。在这种情况下,功率元件(变压器,MOSFET和二极管)必须保持在一个可接受的温度范围之内。为了保证这种状态,工作占空因数只是脉冲串周期的10%。

不同的芯片状态相(图2)表示,在过载模式中,每次开关时序(每个脉冲串)以过流(OC)检测为结束。OC状态被记忆下来并在下一个器件启动时,将处于“Normal”(正常)模式。在次级重新配置情况下,在工作相结束前达到调整电平,而工作相结束后存储的状态是无过流(NOV)。在下一个器件启动时模式将是“Standby”(待机)。

带次级重新配置的SMPS电路

图1是80W TV电源电路。用MC44608只需要4个廉价电阻器。分立电源开关是MTP6N60E额定能量MOSFET。用箝位和缓冲网络降低EMI辐射,促使在较高线电压上功率开关的高击穿安全容限。所用变压器是Thomson-OREGA公司的10642520-P1,具体性能指标见表1。

表1 变压器性能指标

  匝数 数值 引脚
初级 40 180mH 1—3
112V 40   14—12
16V 6   11—10
8V 3   9—8
备用 4   6—7
初级电流峰值   3A  

反馈回路用光技术对初级/次级隔离。112V输出干线用连接到TL431上的电阻分压器进行调整。这种配置产生注入到光电二极管的电流,其值正比于112V干线的dVout偏差。光电晶体管把此反射电流注入到调整器(引脚3)。一个内部并联调整器把此电流变换为电压,而电压模式PWM控制开通期间的功率开关。

在次级端,用与TO-92闸流管MCR22-6串联的快速二极管执行重新配置。网络47kW-120pF可使闸流管点火与TMOS关断(反馈电压的上升沿)同步。在SMPS正常模式期间,由RC网络产生的电流尖峰经待机开关直接到地。待机开关可由任务唤醒单元(如微处理器)控制。

执行重新配置的方法对电源不产生任何附加的应力。自闸流管点火类似于次级二极管导通。到低电压干线的有效连接只修正来自高电压绕组的电平。另一优点是在次级配置期间电源开关漏极平顶电压大大降低。事实上反激电压以112/8分压。

性能

当工作在激励模式期间,MC4488提供传统反激控制器的性能。由于两个分立过压保护(一个在Vcc上,另一个直接感测备用绕组电压),使它能提供高安全电平。第二个OVP与VCC电容器无关,因此反应很快。由于去磁检测,结果是安全间断电流模式确保了对输出短路性能的改善。SMPS总效率是83%。脉冲工作模式输入功率接近1W,并在8V输出给出300mW。此功率大小概可认为是总系统功耗。另外,待机模式靠降低功率元件上的电压提供高安全电平。必须注意,由于去磁特性,靠适当选择Ton和Toff周期以及振荡器的开关频率可使电源运行在SOPS模式。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2119.html
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