如何实现隔离电源的低待机功耗
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许多电源，尤其是离线电源，需要低待机功率。对于低于 100 W 的功率水平，最具成本效益的隔离式拓扑是反激式，因为它需要的组件最少。反激式转换器通常会产生多个次级输出，这需要相对精确的调节。本文将描述在实现良好调节的输出电压同时仍实现低待机功耗的挑战。 低功率AC/DC反激式电源广泛用于电机驱动和电器等工业应用，因为它们可以实现良好的电压调节和低待机功耗。隔离式低功耗设计的典型应用通常需要多个次级输出。图 1显示了一个反激拓扑示例，该拓扑从通用输入（85 VAC至 265 VAC）生成输出 VOUT1和 VOUT2 。变压器 T1 在交流电源线（市电）和负载之间提供电流隔离。辅助绕组 AUX 为初级侧反激式控制器供电。
图 1多输出反激的简化示意图，可在交流电源线和负载之间提供电流隔离。 如何降低待机功耗 让我们简要回顾一下降低待机功耗的已知技术。待机功率主要取决于循环能量、启动电路、缓冲网络和最小负载要求。降低空载开关频率并使用有源启动电路和齐纳缓冲网络而不是电阻-电容-二极管缓冲电路可降低待机功耗。不幸的是，其他电路特性也会增加待机损耗。因此，提前制定有助于保持低待机功耗的策略会很有帮助。 电源设计人员面临的主要挑战之一是构建理想电路是不可能的，因为任何实际电路板都必须处理寄生电容和电感以及系统中的噪声。 当生成两个或更多隔离输出时，这些挑战变得更加严峻，如图 1 所示。通常，电压控制环路仅调节一个输出；变压器绕组的耦合半调节另一个输出。图 2显示了一个输出的调节。外部误差放大器 (U1)通过电阻分压器 ( Rhigh1, Rlow1 ) 连接到输出 VOUT2。光耦合器有助于将误差信号传输到初级侧。
图 2连接到 VOUT2的外部误差放大器的示意图显示了一个输出的调节。 由于变压器绕组的耦合，另一个输出 VOUT1(3.3 V) 只是半稳压的。但是在轻载或空载条件下的待机模式下会发生什么？要回答这个问题，请考虑图 3 ，它显示了 VOUT1(3.3 V) 和 VOUT2(12 V)的次级绕组电压（也称为次级开关节点）。
图 3次级侧开关节点的过冲在轻载或空载条件下可能是一个挑战。 您可以轻松识别过冲，然后在接通时间结束后响铃。基本上，初级开关节点的过冲反映到次级侧。这种过冲在轻载或空载条件下可能是一个挑战，尤其是对于未稳压的输出，因为它通过输出二极管 D1 和 D2 对输出电容充电，如图 1 所示。过冲会导致未稳压的输出电压升至非常高的价值。 意外过冲和振铃的主要原因是什么？这是功率级和电路板的寄生效应，包括变压器的漏感。漏感是由不耦合到其他绕组的变压器中一个绕组的磁通量引起的。这种能量在变压器外部消散，并发生过冲。图 4显示了初级开关节点电压，它基本上是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的漏源电压。
图 4初级开关节点是 MOSFET 的漏源电压。 变压器漏感的影响 既然您已经了解过冲如何对轻负载的交叉调节产生不利影响，那么问题就来了：为什么不将其强力钳位？通常，缓冲钳位电路将过冲电压限制在一定水平。钳位电路吸收存储在变压器漏感中的能量，并且根据钳位电压的值，还将吸收一小部分磁化能量。随着钳位电压的下降，钳位中的能量损失迅速增加。 由于高能量损失，您必须允许一定的开关节点电压过冲。最小过冲主要取决于漏电感。使用现有的变压器，不可能将过冲钳位到每个预期水平。在订购定制变压器样品之前，您必须考虑优化的变压器结构。目标应该是最小化泄漏与磁化电感的比率。 漏感很大程度上取决于物理绕组的几何形状。一般来说，有两个变化会降低漏感：减小初级和次级绕组之间的电介质间距和增加它们之间的重叠表面积。因此，使用交错绕组结构和更宽的线轴并将各层进一步移动在一起将导致低漏感。不幸的是，有一个权衡。这些变化通常涉及增加寄生绕组间电容，这会增加共模电磁干扰。因此，您应该从一开始就与变压器制造商密切合作，以找到优化的变压器结构。 现在，让我们再看看生成两个输出的设计：3.3 V (VOUT1) 和 12 V (VOUT2)。一些应用需要对较低输出电压进行更严格的调节，因为它通常需要较小的容差。假设 VOUT1(3.3 V) 将被调节，而较高的输出电压 VOUT2(12 V) 将保持未调节状态。因此，VOUT1被调节为 3.3 V，而变压器绕组的匝数比决定了 VOUT2。这种配置可以很好地适用于具有低寄生效应的系统，包括低漏感，即使在轻负载下也是如此。 但是，如果漏感大，绕组的耦合性差，过冲大，那么交叉调节就不再好，因为变压器绕组电压比不再与绕组匝比成正比。因此，VOUT2可以非常迅速地上升，很容易变成预期水平的两倍甚至更大。电阻器或齐纳二极管会限制电压，但也会显着增加待机功率。因此，您需要考虑其他可能性。 因此，与其调节较低的输出电压，不如调节较高的输出电压V OUT2可能会有所帮助。如果非稳压输出VOUT1通常不超过VOUT2的值，原则上低压输出最多可以达到高压输出的电平。这意味着在某些情况下，调节较高的电压是有利的，因为这样做会在系统中保持较低的绝对最大电压。 与往常一样，需要权衡取舍，因为不受监管的输出的监管会更糟。一种折衷方案是同时调节两个输出，如图 5所示。只要您不需要在输出之间进行隔离，这种方法就可以很好地工作，但有一个缺点，因为不可能以非常高的精度调节任何输出。
图 5原理图显示了连接到 VOUT1和 VOUT2的外部误差放大器。 另一种选择是从一个输出端采用连接到光耦合器阳极的内环，从另一个输出端采用外电压环，如图 6所示，以实现 VOUT2的精确调节并在一定程度上改善调节VOUT1的。
图 6这是外部误差放大器连接到内部环路和 VOUT2的方式。 由于最终调节很大程度上取决于功率级组件和布局的寄生电容和电感，因此建议在实验室评估替代方案。 现代反激式控制器 现代反激式控制器可以实现非常低的待机功耗，因为脉宽调制算法可以在保持断续导通模式的同时改变开关频率和初级电流。该算法降低了轻负载的开关频率和峰值电流。借助现代反激式控制器，某些应用甚至可以实现低于 20 mW 的待机功率。然而，在设计电源时，必须避免增加功耗的原因。 为了实现低待机功耗，必须通过使用有源启动电路降低开关频率和初级峰值电流并减少次级侧预负载电阻器来降低每个周期从输入获取的能量。良好的布局还可以降低系统中的噪声，而适合初级和次级开关节点的缓冲网络可以进一步降低噪声和过冲。最后，不要忽视变压器；除了控制器，它是电源中最重要的部分。 |
