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作者：Adnaan Lokhandwala ，德州儀器 (TI) 產(chǎn)品經(jīng)理 就低功率AC/DC 轉(zhuǎn)換而言，反向拓?fù)湟蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低仍然是人們的首選。只需使用少量的外部組件，這種拓?fù)浔憧商峁┮粋�(gè)或多個(gè)輸出，實(shí)現(xiàn)非常寬的輸入電壓范圍。它能夠以隔離和非隔離方式使用，適用于大量應(yīng)用，例如：智能電話和平板電腦的電池充電器；電視機(jī)、桌面計(jì)算機(jī)和各種家用電器的輔助電源；便攜計(jì)算機(jī)、機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的AC適配器等。圖1顯示了這些應(yīng)用中一部分的典型功率電平。消費(fèi)類市場(chǎng)中對(duì)反向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大量采用及其廣泛的適用性（圖1所示2012 年世界市場(chǎng)估計(jì)出貨量超過(guò)數(shù)十億件），讓它成為對(duì)所有性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)理想選擇，例如：成本、效率和待機(jī)功耗等。 
在大多數(shù)應(yīng)用中，反向轉(zhuǎn)換器都是墻上充電器/適配器的單獨(dú)外部電源。在一些情況下，它們?yōu)楦笮驮O(shè)備的一部分供電，或者在設(shè)備不執(zhí)行其主要功能時(shí)提供待機(jī)功率，以維持一些系統(tǒng)功能，例如：用戶顯示和遠(yuǎn)程控制等。在所有情況下，反向轉(zhuǎn)換器的待機(jī)功耗都被嚴(yán)格監(jiān)控，目的是在轉(zhuǎn)換器閑置時(shí)最小化總-功耗。例如，AC墻上充電器中使用的反激電源，其批量生產(chǎn)型產(chǎn)品的待機(jī)功耗規(guī)格小于30mW。如果實(shí)際電源的待機(jī)功耗僅為10mW ，那么節(jié)省出來(lái)的20mW 可以為漏電電路組件帶來(lái)更大的余量，例如：輸入濾波器、電容和各種偏置組件，從而降低總解決方案成本。同樣，低待機(jī)功耗的反向轉(zhuǎn)換器可以允許在待機(jī)模式下運(yùn)行更多的系統(tǒng)功能，并同時(shí)讓終端設(shè)備總功耗保持最小。 推動(dòng)綠色電源發(fā)展 在電源行業(yè)，有關(guān)電源效率和待機(jī)功耗的發(fā)展計(jì)劃和規(guī)范有很多，但因終端設(shè)備、功率電平和管理部門不同而各異。在美國(guó)，有加州能源委員會(huì)與環(huán)保局頒布的“能源之星.”，歐盟有“待機(jī)功耗發(fā)展計(jì)劃”等，諸如此類。在大概了解這些節(jié)能計(jì)劃之后，我們可以清楚地知道，它們都有一個(gè)共同的主題—不斷降低輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載/待機(jī)的功耗。世界許多地區(qū)還正在推行一些針對(duì)外部電源待機(jī)功耗和輕負(fù)載工作效率的強(qiáng)制和自愿規(guī)定。 在美國(guó)，加州能源委員會(huì)于2013 年2月開始在本州實(shí)施一項(xiàng)電池充電效率標(biāo)準(zhǔn)。另外，美國(guó)能源部正在最終敲定一份草案，它將在世界范圍內(nèi)影響目前的電源效率規(guī)定。同樣，在2013 年10月，歐洲委員會(huì) (EC) 聯(lián)合研究中心發(fā)布了外部電源能源效率規(guī)范第5版的最終草案。相比歐洲委員會(huì)目前的《節(jié)能化設(shè)計(jì)規(guī)定》(Ecodesign Directive) ，這些新近頒布的非強(qiáng)制性規(guī)定（降低產(chǎn)品工作模式效率和無(wú)負(fù)載功耗建議）更難達(dá)到。 為了確保外部電源在一些應(yīng)用的閑置和待機(jī)模式下更加高效，歐洲委員會(huì)在四點(diǎn)工作模式平均效率規(guī)定以外，又增加了一個(gè)10% 負(fù)載狀態(tài)的效率規(guī)定。另外，從2014 年開始，歐洲委員會(huì)還增加了一個(gè)針對(duì)8W以下移動(dòng)手持式電池供電外部電源的附加分類，其規(guī)定必須將無(wú)負(fù)載功耗控制在75mW以下。最后，歐洲委員會(huì)能源相關(guān)產(chǎn)品的《節(jié)能化設(shè)計(jì)規(guī)定》（Tier 2的Lot 6 ）已在2013 年1月生效。這部分規(guī)定把家用和辦公用設(shè)備的總系統(tǒng)待機(jī)功耗限制在低于0.5W。 10mW以下待機(jī)功耗 圖2顯示了一個(gè)待機(jī)功耗低于10mW 的隔離式反激轉(zhuǎn)換器的典型構(gòu)架。圖中顯示了，一次反激中對(duì)待機(jī)功耗影響最大的4個(gè)關(guān)鍵要素（使用A到D四個(gè)字母標(biāo)識(shí)）及其相關(guān)成本。一般而言，這種類型的轉(zhuǎn)換器會(huì)將其輸出電壓與一個(gè)次側(cè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。一個(gè)光隔離器用于在隔離層之間傳輸誤差信號(hào)。
這種方法存在兩個(gè)基本問(wèn)題。首先，低成本基準(zhǔn)器件（如廣泛使用的 TI TL431分路穩(wěn)壓器）需要一個(gè)最小陰極偏置電流（~1 mA），其與所有狀態(tài)下的負(fù)載轉(zhuǎn)換器均無(wú)關(guān)。其次，標(biāo)準(zhǔn)光耦合器結(jié)構(gòu)在無(wú)負(fù)載狀態(tài)下時(shí)消耗大部分的電流。請(qǐng)注意，為了達(dá)到低于10mW 的待機(jī)功耗，反饋控制可能需要使用一個(gè)成本更高的基準(zhǔn)器件，例如：超低偏置電流的TI TLV431 分路穩(wěn)壓器。 解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是，使用一個(gè)帶一次側(cè)穩(wěn)壓的恒定電壓、恒定電流（CVCC ）控制器，例如：TI 的UCC28710 。這種控制器可以簡(jiǎn)化AC/DC 設(shè)計(jì)，并提高其性能。UCC28710 可在5%精確度范圍內(nèi)穩(wěn)壓反饋輸出電壓和輸出電流，無(wú)需光耦合器反饋。另外，它還處理來(lái)自一次側(cè)電源開關(guān)和變壓器輔助繞組的信息，以實(shí)現(xiàn)精確的輸出CVCC 控制。 - 為了降低其無(wú)負(fù)載功耗，轉(zhuǎn)換器負(fù)載降低并且控制器把其平均電流消耗降至95 μA時(shí)，控制器進(jìn)入智能睡眠模式�？刂扑惴▽�(duì)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和一次電流的峰值大小進(jìn)行調(diào)制，并同時(shí)維持MOSFET 谷值開關(guān)，以在線壓和負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。最后，由于高壓IC技術(shù)的發(fā)展，外部HV啟動(dòng)MOSFET 也被集成到控制器中，進(jìn)一步減少了組件數(shù)量，并簡(jiǎn)化了解決方案（請(qǐng)參見(jiàn)圖3a）。
反向轉(zhuǎn)換器開關(guān)的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用和性能要求。在一些情況下，相比MOSFET ，雙極面結(jié)型晶體管 (BJT) 是一種更好的選擇。從根-本上講，BJT成本比功率MOSFET 更低，因?yàn)樗鼈兊闹圃爝^(guò)程中的工藝更簡(jiǎn)單，層數(shù)更少，特別是面向高壓（≥700V ）和低功耗應(yīng)用時(shí)，更是如此。今天，超高壓（>900 V）BJT 是較為經(jīng)濟(jì)的選擇，在工業(yè)市場(chǎng)以及一些AC工作電壓差異較大的地區(qū)，離線電源中使用基于BJT的設(shè)計(jì)具有較大的吸引力。 使用BJT的轉(zhuǎn)換器擁有更低的制造成本，因?yàn)樗鼈兂３＞哂懈偷膁i/dt和dV/dt開關(guān)應(yīng)力，無(wú)Y電容的EMI兼容更容易，不要求共模扼流圈，并且變壓器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。另外，由于較為緩慢的關(guān)閉di/dt，變壓器漏電感的一部分能量可在BJT關(guān)閉過(guò)渡期間耗散掉，從而消除了一些設(shè)計(jì)中對(duì)于緩沖器電路的潛在需求。在反面，BJT承受著更高的開關(guān)損耗，被限于更低開關(guān)頻率的一些設(shè)計(jì)，并且要求復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方案。 圖3b顯示了驅(qū)動(dòng)一個(gè)BJT的高集成度解決方案。UCC28720控制器集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，它根據(jù)轉(zhuǎn)換器負(fù)載，動(dòng)-態(tài)地穩(wěn)壓基極電流大小。這樣可以確保BJT始終工作在最佳開關(guān)狀態(tài)下，即使是更高功率的AC/DC 設(shè)計(jì)，開關(guān)和傳導(dǎo)損耗也都最小。
兩個(gè)5V/1A USB 充電器用于描述前面的一些點(diǎn)。圖4簡(jiǎn)單列出了它們的-測(cè)試數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，該控制器讓低于10mW 的超低待機(jī)功耗成為現(xiàn)實(shí)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的調(diào)制和驅(qū)動(dòng)方案，還幫助實(shí)現(xiàn)高平均效率，以達(dá)到世界上大多數(shù)嚴(yán)格的能耗規(guī)定。參考2和3給出了這些設(shè)計(jì)的完整測(cè)試數(shù)據(jù)和一份材料清單。圖4包括了一個(gè)高功率5V/1.5A 設(shè)計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)，目的是說(shuō)明這種BJT型解決方案可以提供80+%的平均效率。 結(jié)論 反向拓?fù)涞暮?jiǎn)單性和高成本效益，讓其成為許多驅(qū)動(dòng)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的低功耗AC/DC 設(shè)計(jì)的首選。為了-以更低的成本達(dá)到相同的性能，或者在成本不變的情況下實(shí)現(xiàn)更高的性能，電源設(shè)計(jì)人員面臨眾多的挑戰(zhàn)。本文只介紹了一部分這些性能，并說(shuō)明了如何靈活地選擇高功效的控制器來(lái)解決電源解決方案的成本問(wèn)題。TI的700V 反向控制器系列產(chǎn)品UCC28710 和UCC28720 ，擁有同級(jí)別中最低的待機(jī)功耗和最高的效率，可實(shí)現(xiàn)最為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到目前和未來(lái)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 |
