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要想減緩人類在能源使用過程中對環境所造成的影響，最有效方式就是降低產品的功耗。降低帶載功耗是最明顯的需要。但在產品并不執行任何工作的待機模式下，降低功率損耗的需要卻似乎并不明顯。 家用設備和電源適配器的待機耗電量相當巨大。美國勞倫斯伯克力國家實驗室估計，在美國家庭一年的總電費中，待機和空載損耗超過50億美元。據國際能源機構 (IEA)統計，5%至15%的家庭耗電量(因國家/地區而異)都是在待機模式下產生的；歐盟委員會估計歐盟地區每年約產生50太千瓦時(TWh)的待機耗電量。 現在，許多消費類產品OEM制造商所生產的電子設備都具有超低待機功耗，但真正的目標還是要盡可能地接近零功耗。Power Integrations新推出的兩款高壓MOSFET可以幫助設計師將電路中的耗能元件隔離開，從而達到優化設計和實現零空載功耗的目的。 消除待機功率 此類電量的節省會對整個國家的發電站配備要求產生直接影響，并且，它已成為各監管機構所頒布的能效法規中的關鍵內容。以電視機接收器為例，包括能源之星和歐盟生態標簽(EU Eco-Label)在內的眾多能效計劃現在都將最大待機功耗規定為1瓦。作為其節能計劃的組成部分，歐盟委員會已針對用能產品(EuP)的待機和關斷模式損耗頒布了用能產品指令Lot 6。Lot 6于2009年初生效，其要求比以往更為嚴格。自2010年起，新產品的待機功耗必須低于1瓦。到2011年，具體數值將進一步減小，輸出功率≤ 51W的適配器將降至300mW，輸出功率> 51W的適配器將降至500mW。 2008年，在EuP Lot 6定稿時，所設定的目標值接近當時最佳可行技術所能達到的最高水平。但是，隨著開關電源IC 的快速發展，待機功耗水平現在已遠遠低于當時的規定限值。許多消費類知名品牌的公司都認識到了這一情況，他們要求的功耗特性都遠遠高于各項國家標準。例如，多家大型電視機及顯示器OEM制造商都已設定了100mW的最大待機功耗限值，計算機領域的一些OEM制造商已設定了更低的30mW待機功耗限值。這些限值都大大低于國家能效法規的要求。 設計超低功耗的開關電源 如今的開關電源控制器IC已達到相當先進的水平，設計周密，足以滿足待機功耗標準。電源設計師只需遵循應用指南即可獲得可接受的設計。但要想使待機功耗達到標準的十分之一或更低，則需要更加關注細節。必須對每個電源元件進行優化，使每次調整都能節省一定的功耗。圖1所示為典型反激式開關電源設計中需要優化的區域。 
圖1：用Power Integrations的TOPSwitch-HX優化過的開關電源。 這款20W電源(DER-188)能夠在0.3W輸入功率下提供0.2W的待機輸出功率，在230VAC下的空載功耗極低，小于100mW。但是，如果要進一步降低待機功率，使其盡可能接近零，該怎么辦呢？ 首先會想到的元件是輸入濾波器。該元件始終與市電電源直接相連，因此這里的任何電流消耗都必須消除。電阻R1和R2也比較突出，因為它們直接跨接在輸入兩端，且與X電容C1并聯。如果電源已斷電，斷開瞬間的市電電壓會保留為電容中的直流電荷，因此存在于電源插頭引腳。由于存在潛在的電擊風險，安規機構規定電容值高于100nF的電容的自動放電時間常數必須小于1秒。電阻R1和R2的作用就是對電容C1進行放電。這兩個電阻通常以串聯方式連接，以便達到安規機構的單點故障測試要求。 從功率預算的角度來看，這些電阻的存在是極不適宜的，因為無論電源是否工作，它們都會持續消耗功率。在所示的應用中，輸入濾波器使用100nF的電容C1設計而成，因此不需要使用這些電阻。但增大電容容量有很大的益處：可以相應減小扼流圈L1，從而節省尺寸、重量和成本。但對于1μF的電容來說，R1和R2的總值將必須達到1M?的最大值。在230VAC輸入下，電阻將連續消耗53mW的功率。 消除電流消耗 要想實現待機電流接近零的目標，就必須找到能消除R1和R2連續電流消耗的解決方案。Power Integrations新推出的CAPZero IC可以輕松實現這一點。圖2所示為CAPZero在典型應用中的使用情況。
圖2：CAPZero的典型應用。 每款CAPZero器件均采用集成AC損耗檢測器和背靠背MOSFET的SO-8封裝。當存在AC輸入電壓時，CAPZero保持關閉狀態，阻擋電流進入放電通路，消除功率損耗。AC電壓消失后，CAPZero開啟，接通電阻，允許輸入濾波電容放電。CAPZero通過AC線路自行供電，在230 VAC輸入時功耗低于5 mW。 CAPZero有兩種電壓等級(825V和1kV)和八個電流額定值(從0.25mA到 2.5mA)。在直接跨接市電電源的情況下，CAPZero的高壓浪涌抵抗能力顯得至關重要。在大部分消費類產品應用中，825V CAPZero器件可以與金屬氧化物壓敏電阻(MOV)一起使用。對于浪涌要求高達3kV的應用，可以將1kV CAPZero器件與MOV配合使用。 圖3描述了CAPZero器件在極端條件下的工作情況。在該測試中，AC輸入連接松散，以便在觸點產生電弧。測試表明，CAPZero器件不會因電弧的發生而保持“鎖存關斷”，而且，它可以準確檢測AC功率損耗并在AC斷電后對X電容進行安全放電。
圖3：CAPZero 265 VAC/50 Hz，空載；VIN 100 V/div。 CAPZero可以有效隔離電阻R1和R2，使設計師能夠自由優化C1、L1和其他輸入濾波元件的值。在增大X電容值同時不增加功耗的情況下，可以進一步減小共模/差模扼流圈的值，甚至省去此類元件。這樣不僅能節省空間和成本，而且還可以提高電源效率。 在消除市電輸入的電流消耗之后，接下來需要消除電路中的那些即使在待機狀態下也會連續消耗功率的其他元件的電流消耗。在較高功率應用中，在高壓母線與功率因數校正(PFC)和DC/DC轉換器的電源控制器之間可能存在多條信號通路。例如包括PFC系統中連接升壓控制器的前饋或反饋信號通路，以及雙開關正向 /LLC/半橋和全橋轉換器中的前饋信號通路。PI的第二款新產品是SENZero，它可以在不需要這些信號通路時將它們隔離，從而消除不必要的功率損耗。SENZero的典型應用如圖4所示。
圖4：SENZero的典型應用。 在該應用中，內部柵極驅動和保護電路在檢測到VCC引腳電壓后，向內部的650 V MOSFET提供柵極驅動信號。這種簡單配置將系統VCC母線用作SENZero的輸入端，可輕松集成到現有系統中。VCC母線在電源進入待機模式后關斷，從而關斷SENZero器件的MOSFET，使每個通路中的功耗大幅降低到500 μW以下。 通過使用像CAPZero 和SENZero這樣的創新器件，電源設計師即可大幅降低空載和待機模式下的功耗水平。如果主流電源采用這些待機功耗接近于零的設計，那么它們在生產起來也會變得經濟可行。對于歐盟委員會來說，實現在2020年之前將歐盟待機耗電量幾乎降低75%的目標是一件非常容易的事情。 作者：Power Integrations產品營銷經理Edward Ong |
