智能功率管理 - 降低家電待機功耗的有效方法

本設(shè)計說明介紹了VIPerPlus系列AC-DC轉(zhuǎn)換器IC中實現(xiàn)的可用于降低家用電器待機功耗的功率管理技術(shù)。通過使用VIPerPlus轉(zhuǎn)換器，家電開關(guān)電源（SMPS）的設(shè)計人員可以通過以下方式滿足最苛刻的節(jié)能規(guī)定：

• 高級輕載管理

• 零功耗模式（ZPM），使家電在操作周期結(jié)束時自動關(guān)閉

我們使用兩個VIPerPlus高壓轉(zhuǎn)換器的評估板來展示實現(xiàn)這些技術(shù)的例子。

高級輕載管理

作為VIPerPlus系列的一款產(chǎn)品，VIPer01將800V雪崩堅固型功率MOSFET與固定頻率PWM電流模式控制器集成在一個芯片中。它集成了高壓啟動、感測FET、誤差放大器和具有頻率抖動的振蕩器，可以使用反激式、降壓或升降壓拓撲結(jié)構(gòu)以及少量外部元器件來實現(xiàn)完整的AC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

VIPer01的重要特性可幫助用戶符合有關(guān)輕載功耗的節(jié)能規(guī)定：

• 功率MOSFET和內(nèi)部邏輯電路的低閾值使IC能夠在低至 4.5V的電源下工作。

• 功率MOSFET的低柵極電荷和內(nèi)部邏輯電路的低功耗意 味著IC消耗極低的靜態(tài)電流。

• 脈沖頻率調(diào)制（PFM）可降低輕載下的開關(guān)頻率，從而最大限度地降低與頻率有關(guān)的損耗。

以下部分將介紹這些規(guī)范如何影響真實世界中的實際性能，并報告VIPerPlus板在輕載情況下的性能測量結(jié)果。

VIPer01應(yīng)用性能

意法半導(dǎo)體應(yīng)用工程團隊使用STEVAL-ISA177V1評估套件測試了VIPer01轉(zhuǎn)換器的工作情況，該評估套件是一款寬輸入范圍的反激式轉(zhuǎn)換器，可為5V單輸出提供4.25W的功率。

在空載情況下，該板在230V AC下的功耗小于10mW，當為250mW負載供電時，它的效率高于60％，如圖1所示。

圖1：STEVAL-ISA177V1評估套件的空載和輕載性能

先進的零功耗架構(gòu)

另一款VIPerPlus器件VIPer0P可用于為周期性工作家用設(shè)備設(shè)計開關(guān)電源，如洗衣機等包含有限操作周期且通常在周期之間保持關(guān)閉的設(shè)備。VIPer0P在操作周期結(jié)束時自動將開關(guān)電源置于關(guān)閉模式，在關(guān)閉狀態(tài)下的功耗小于5mW。

這消除了對這種設(shè)計中常用的雙穩(wěn)態(tài)機電開關(guān)的需求，提高了系統(tǒng)可靠性，并降低了系統(tǒng)的成本。事實上：

• SMPS可以由監(jiān)控家電運行的微控制器來關(guān)閉，并進入對其輸出端不供電的特殊狀態(tài)。

• 一旦處于這種狀態(tài)，開關(guān)電源已準備好由用戶手動重啟，且在230V AC電源下的功耗小于5mW。

該功能是一個零功耗功能，如圖2所示：也就是說，它可以使系統(tǒng)達到IEC 62301標準第4.5節(jié)所定義的零功耗。它包含一個特殊的空閑狀態(tài)ZPM，除了退出ZPM所需的電路外，控制IC完全關(guān)閉?？刂艻C中唯一保持工作的部分是零功耗邏輯模塊，以及向其提供偏置電壓的4V穩(wěn)壓器。

圖2：VIPer0P轉(zhuǎn)換器IC的零功耗功能示意圖

ZPM的整體功耗由兩部分組成：分支ZD1、RG、ZD2、M3上的功耗；以及由4V穩(wěn)壓器和零功耗邏輯模塊吸收的大約1.5μA靜態(tài)電流Iq，加上輸出到外部電路的輸出電流的功耗。

該功耗可以按如下估算：

在輸入電壓為230V AC時，假設(shè)最壞情況下的值為RG =28MΩ VZD1 + VZD2 = 20V、Iq = 2μA，ZPM功耗為4.2mW加上對外部電路輸出的0.325mW/μA電流。

零功耗架構(gòu)的實例

演示板STEVAL-ISA174V1基于VIPer0P轉(zhuǎn)換器IC，實現(xiàn)了一個寬輸入范圍、非隔離、雙輸出反激式轉(zhuǎn)換器，提供6.8W的總功率，如圖3所示。

圖3：VIPer0P轉(zhuǎn)換器的STEVAL-ISA174V1評估板

它通過-5V輸出提供4W功率，該輸出由連接到反饋引腳上的誤差放大器的同相輸入端的分壓器來嚴格穩(wěn)壓；并對7V輸出提供2.8W功率，該輸出通過兩個輸出繞組的匝數(shù)比的磁性耦合進行半穩(wěn)壓。

意法半導(dǎo)體的應(yīng)用筆記AN4836描述了該完全特征化的電路板。這里描述的應(yīng)用符合節(jié)能設(shè)計的最嚴格的規(guī)定，如歐洲行為準則（CoC）第5版對外部電源的要求。

圖4所示的數(shù)據(jù)顯示，該應(yīng)用在ZPM狀態(tài)中具有零輸入功耗，符合IEC 62301第4.5節(jié)的規(guī)定?？蛰d運行時符合五星級節(jié)能標準。

圖4：STEVAL-ISA174V1板的ZPM輸入功率和空載輸入功率

圖5中的數(shù)據(jù)顯示，通過連接Vout1和Vout2線路上的負載而構(gòu)成的等效12V/6.8W SMPS在關(guān)閉模式下符合ErP Lot 6 Tier 2要求，并且具有10％的負載效率，達到歐洲行為準則（CoC）第5版設(shè)想的目標。

圖5：STEVAL-ISA174V1板的輕載性能

小結(jié)

當今的電源單元需要更復(fù)雜的方法來提高性能，以滿足最新的節(jié)能規(guī)定的要求。意法半導(dǎo)體的VIPerPlus高電壓轉(zhuǎn)換器采用先進的技術(shù)和巧妙的電源架構(gòu)，以滿足必須與高級用戶界面連接的智能家電對高效電源的日益增長的需求。

VIPer01應(yīng)用展示了如何輕松滿足冰箱等連續(xù)工作家電的最嚴格的能源法規(guī)要求。另一方面，VIPer0P應(yīng)用演示了如何建立巧妙的待機架構(gòu)，包括與MCU的簡單交互，以降低周期性工作的家電（例如洗衣機）電源的物料成本。

這種SMPS設(shè)計還提供了高可靠性和靈活性，并且僅需少量元器件。