回顾去年的石油价格飘涨, 以及全球金融危机, 使得节能议题再度获得关注, 有效利用能源变成全球共识, 于是近年来电子产品的电源供应器开始受到节能法规的限制, 如美国加州能源委员会(Califonria Enery Comission, CEC ) 节能规范, 以及能源之星(Energy star) 标识计划等, 但这些电源的规范当中, 最近受到注目的新规范即是“待机功耗”的规范。
由于许多电子产品在插头接上的那一刻便开始有功率消耗, 即使大多时间都处在待机状态，这样的待机功耗, 根据统计, 占全球电力的3%-13%, 因此从2001年7月起美国政府机构已经明确要求电器产品待机功耗不能超过IW 。这些新的节能规范不单只是规范电源在不同负载时所需的平均效率, 还定义在待机时的最低功耗, 如表1所示为能源之星的效率规范与待机功耗。
其中令人瞩目的是在今年由五家手机大厂公布的新手机充电器的待机规范，明确定义出不同的待机功耗有不同的标识星号， 如表2所示为新手机充电器的待机功耗, 其中最高五颗星的待机功耗必须降低至30mw 以下, 由此可见，在不久的将来电源转换器低待机功耗将成为基本要求,也是电源设计工程师必须面临的挑战, 而能降低待机功耗的电源芯片更是未来的需求。
待机功耗的来源分析与低待机功耗的解决方案
对于目前的电源系统来说, 如何能从目前低于0 .3W的待机功耗降低到30 mw。首先可以分析一个传统反激式电源架构的每个器件, 在待机时主要的损耗来源, 如图1为4OW 的电路图, 其中此电路的在230Vac的待机功耗为110mW , 图2为待机损耗的分析结果。
如图2看出, 主要的待机功耗可以分为五种:
l、启动电阻的损耗(56% ): 为了使PWMIC在电源启动时能获得适时的启动, 通常会有启动电路设置, 即在PWMIC 获得启动电压之后, 启动电路便失去作用。但实际上, 启动电阻上的电压却不少, 占待机功耗的不少比例， 如何能用高压启动线路减少这类的损耗是PWMIC 所需的功能之一。
2、EMI 滤波电容放电电阻(15% ): 为了快速释放EMI滤波电容上的电压, 在大功率电源设计上都会增加并联的放电电阻, 但若针对小功率电源设计, 此滤波电容放电电阻可以不采用。
3、主环路的开关组件损耗(13 % ): 为了使输出电压为稳定的电压, PWMIC必须控制主开关的占空比与开关频率, 但在待机时为了降低主开关MOSFET 、变压器、次级输出整流二极管, 输
出假负载的损耗, 因此PWMIC也在待机时适时地降低占空比与开关频率。因此如何设计在待机时的PWM 信号也是PWMIC 所需的功能之一。
4、PWMIC的待机消耗(9 % ): 在待机时为了使PWMIC维持正常的工作, 在线路上必须设计合适的辅助供电, 如何使PWMIC在待机时以较低的电压和工作电流运行, 以降低PWMIC的待机功耗, 这也是PW M IC 未来所需的功能之一。
5、 次级反馈电路的待机功耗(4 % ): 为了侦测次级的信号, 次级反馈回路需要一个合适的分压电阻网络, 它的损耗占了约4% 的待机功耗, 若考虑一个低瓦数的应用, 采用初级侦测的方式,此部分的待机功耗也可以减少。
从上述的五点中, 其中有四点挑战是可以藉由电源芯片的功能来提升, 因此通过电源芯片的控制技术使整体效能提升、成本降低之外也降低待机功耗, 为绿色能源提供一个新的方向。
实际设计的一个3 .5W的手机充电器, 输出规格的定义为5V/0.7A。 电源控制芯片采用飞兆半导体的FSEZ1317 , 此电源芯片在手机充电器的应用中提供极低的待机功耗, 这是由于内置50 v 的高压启动电路, 在电源IC 达到启动电压之后, 此电路即为开路的状态, 以降低启动线路的功耗; 为了降低待机功耗, 绿色功能模块通过关断时间调制在轻载的时候线性降低开关频率, 在空载的时候降至370Hz的最低频率, 同时减少内部所需的工作电流与电压的范围, 利用以上的新技术可以轻易满足绝大部分功耗要求。
除此之外, 崭新的核心技术采用初级端调节控制方法(PSR) , 利用侦测辅助绕组上的电压波形, 达到控制输出端为恒定电压与恒定电流,因此不仅可以大幅的减少次级的反馈线路也减少次级端的功耗以及所需的成本。芯片包装更采用SOP8 的包装与内建700V的高压MOSFET , 因此可以省掉MOSFET 的走线, 更可以减少零件数量,节省空间。
自动恢复的保护功能包含输出短路保护(OSP)、VDD过电压保护(OVP)与过热保护(OTP) 等。 一个内建的Frequency Hopping功能更进一步改善EMI的性能；此外, IC 还具有线损补偿功能, 根据输出电流补偿输出线的压降来改善负载调整率。如图3为FSEZ1317的375W 线路图。
如图4 为在不同交流输入电压中的待机功耗, 由图中可知即便是在264Vac的电压输入, 待机功耗仍然可以低于30mw , 满足最新低待机功耗手机电源规范中的最好的五星等级要求。从图5的输出电压电流曲线中, 可以看出在通用交流电压的输人之下, 输出端的恒定电压调节率可以达到1.38%；而当返回电压(fold一back voltage)为1.5V时, 输出端的恒定电流调节率可以达到3 .6% , 其中在恒电流的范围中的输出电压是藉由5V-24V VDD的电压控制且在输出电压越来越低时仍然可以稳定恒定输出电流。如图6可示, 平均效率可以达到7 1.6 1% @ 115V 与70刀l% @ 2 30V , 可以轻易符合/ 能源之星0 2 .0 等级五的能源规范(平均效率为65.5% 的规范), 为大量生产的偏差提供足够的裕度。
电源管理lC 的新挑战: 低待机功耗
着眼全球关注绿色能源的开发, 能源效率大幅提升能帮助降低电源的损耗, 集成功率芯片在电源管理中扮演一个提升效率的重要角色, 它帮助电源设计降低整体的成本、开关损耗与改善E M I性能以达到/轻薄短小0 的目标。
本文介绍的内置高压启动电路与降低空载时开关频率的低待机功耗电源芯片, 通过新颖的初级端反馈控制技术减少二次侧反馈回路的损耗。相比之下, 传统的自激式转换器(Ringing Choke Converter，RCC ）方案, 不仅零件多、成本高, 且设计复杂与制造困难, 渐渐的不能符合现今的电源规范。飞兆半导体的集成电源芯片FSEZ1317 方案减少了元件数目, 降低成本和简化了设计, 将会是低待机功耗、高效率充电器应用的理想解决方案。