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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，反向拓撲因其結(jié)構(gòu)簡單和成本低仍然是人們的首選。只需使用少量的外部組件，這種拓撲便可提供一個或多個輸出，實現(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、桌面計算機和各種家用電器的輔助電源；便攜計算機、機頂盒和網(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。消費類市場中對反向拓撲結(jié)構(gòu)的大量采用及其廣泛的適用性（圖1所示2012 年世界市場估計出貨量超過數(shù)十億件），讓它成為對所有性能指標進行優(yōu)化的一個理想選擇，例如：成本、效率和待機功耗等。 
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)行其主要功能時提供待機功率，以維持一些系統(tǒng)功能，例如：用戶顯示和遠程控制等。在所有情況下，反向轉(zhuǎn)換器的待機功耗都被嚴格監(jiān)控，目的是在轉(zhuǎn)換器閑置時最小化總-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)品的待機功耗規(guī)格小于30mW。如果實際電源的待機功耗僅為10mW ，那么節(jié)省出來的20mW 可以為漏電電路組件帶來更大的余量，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，低待機功耗的反向轉(zhuǎn)換器可以允許在待機模式下運行更多的系統(tǒng)功能，并同時讓終端設(shè)備總功耗保持最小。 推動綠色電源發(fā)展 在電源行業(yè)，有關(guān)電源效率和待機功耗的發(fā)展計劃和規(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，有加州能源委員會與環(huán)保局頒布的“能源之星.”，歐盟有“待機功耗發(fā)展計劃”等，諸如此類。在大概了解這些節(jié)能計劃之后，我們可以清楚地知道，它們都有一個共同的主題—不斷降低輕負載和無負載/待機的功耗。世界許多地區(qū)還正在推行一些針對外部電源待機功耗和輕負載工作效率的強制和自愿規(guī)定。 在美國，加州能源委員會于2013 年2月開始在本州實施一項電池充電效率標準。另外，美國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 (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。相比歐洲委員會目前的《節(jié)能化設(shè)計規(guī)定》(Ecodesign Directive) ，這些新近頒布的非強制性規(guī)定（降低產(chǎn)品工作模式效率和無負載功耗建議）更難達到。 為了確保外部電源在一些應(yīng)用的閑置和待機模式下更加高效，歐洲委員會在四點工作模式平均效率規(guī)定以外，又增加了一個10% 負載狀態(tài)的效率規(guī)定。另外，從2014 年開始，歐洲委員會還增加了一個針對8W以下移動手持式電池供電外部電源的附加分類，其規(guī)定必須將無負載功耗控制在75mW以下。最后，歐洲委員會能源相關(guān)產(chǎn)品的《節(jié)能化設(shè)計規(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)待機功耗限制在低于0.5W。 10mW以下待機功耗 圖2顯示了一個待機功耗低于10mW 的隔離式反激轉(zhuǎn)換器的典型構(gòu)架。圖中顯示了，一次反激中對待機功耗影響最大的4個關(guān)鍵要素（使用A到D四個字母標識）及其相關(guān)成本。一般而言，這種類型的轉(zhuǎn)換器會將其輸出電壓與一個次側(cè)基準電壓進行比較。一個光隔離器用于在隔離層之間傳輸誤差信號。
這種方法存在兩個基本問題。首先，低成本基準器件（如廣泛使用的 TI TL431分路穩(wěn)壓器）需要一個最小陰極偏置電流（~1 mA），其與所有狀態(tài)下的負載轉(zhuǎn)換器均無關(guān)。其次，標準光耦合器結(jié)構(gòu)在無負載狀態(tài)下時消耗大部分的電流。請注意，為了達到低于10mW 的待機功耗，反饋控制可能需要使用一個成本更高的基準器件，例如：超低偏置電流的TI TLV431 分路穩(wěn)壓器。 解決這個問題的一個方法是，使用一個帶一次側(cè)穩(wěn)壓的恒定電壓、恒定電流（CVCC ）控制器，例如：TI 的UCC28710 。這種控制器可以簡化AC/DC 設(shè)計，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，無需光耦合器反饋。另外，它還處理來自一次側(cè)電源開關(guān)和變壓器輔助繞組的信息，以實現(xiàn)精確的輸出CVCC 控制。 - 為了降低其無負載功耗，轉(zhuǎn)換器負載降低并且控制器把其平均電流消耗降至95 μA時，控制器進入智能睡眠模式。控制算法對轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和一次電流的峰值大小進行調(diào)制，并同時維持MOSFET 谷值開關(guān)，以在線壓和負載之間實現(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MOSFET 也被集成到控制器中，進一步減少了組件數(shù)量，并簡化了解決方案（請參見圖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，因為它們的制造過程中的工藝更簡單，層數(shù)更少，特別是面向高壓（≥700V ）和低功耗應(yīng)用時，更是如此。今天，超高壓（>900 V）BJT 是較為經(jīng)濟的選擇，在工業(yè)市場以及一些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，因為它們常常具有更低的di/dt和dV/dt開關(guān)應(yīng)力，無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)閉過渡期間耗散掉，從而消除了一些設(shè)計中對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，并且要求復雜的驅(qū)動方案。 圖3b顯示了驅(qū)動一個BJT的高集成度解決方案。UCC28720控制器集成了一個驅(qū)動器，它根據(jù)轉(zhuǎn)換器負載，動-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，開關(guān)和傳導損耗也都最小。
兩個5V/1A USB 充電器用于描述前面的一些點。圖4簡單列出了它們的-測試數(shù)據(jù)。請注意，該控制器讓低于10mW 的超低待機功耗成為現(xiàn)實。經(jīng)過優(yōu)化的調(diào)制和驅(qū)動方案，還幫助實現(xiàn)高平均效率，以達到世界上大多數(shù)嚴格的能耗規(guī)定。參考2和3給出了這些設(shè)計的完整測試數(shù)據(jù)和一份材料清單。圖4包括了一個高功率5V/1.5A 設(shè)計的測試數(shù)據(jù)，目的是說明這種BJT型解決方案可以提供80+%的平均效率。 結(jié)論 反向拓撲的簡單性和高成本效益，讓其成為許多驅(qū)動消費類電子產(chǎn)品的低功耗AC/DC 設(shè)計的首選。為了-以更低的成本達到相同的性能，或者在成本不變的情況下實現(xiàn)更高的性能，電源設(shè)計人員面臨眾多的挑戰(zhàn)。本文只介紹了一部分這些性能，并說明了如何靈活地選擇高功效的控制器來解決電源解決方案的成本問題。TI的700V 反向控制器系列產(chǎn)品UCC28710 和UCC28720 ，擁有同級別中最低的待機功耗和最高的效率，可實現(xiàn)最為經(jīng)濟的設(shè)計，能夠達到目前和未來的行業(yè)標準。 |
