如何实现隔离电源的低待机功耗

[导读]许多电源，尤其是离线电源，都需要较低的待机功耗。对于低于 100 W 的功率水平，最具成本效益的隔离拓扑是反激式，因为它需要的组件最少。反激式转换器通常会产生多个次级输出，这需要相对精确的调节。本文将描述在实现良好调节的输出电压的同时仍实现低待机功耗的挑战。

许多电源，尤其是离线电源，都需要较低的待机功耗。对于低于 100 W 的功率水平，最具成本效益的隔离拓扑是反激式，因为它需要的组件最少。反激式转换器通常会产生多个次级输出，这需要相对精确的调节。本文将描述在实现良好调节的输出电压的同时仍实现低待机功耗的挑战。

低功率AC/DC反激式电源广泛应用于电机驱动和电器等工业应用，因为它们可以实现良好的电压调节和低待机功耗。隔离式低功耗设计的典型应用通常需要多个辅助输出。图 1显示了从通用输入(85 V AC至 265 V AC )生成输出 V OUT1和 V OUT2的反激式拓扑示例。变压器 T1 在交流电源线(市电)和负载之间提供电流隔离。辅助绕组 AUX 为初级侧反激式控制器供电。

图 1多输出反激式的简化原理图，可在交流电源线和负载之间提供电流隔离。

如何降低待机功耗

让我们简要回顾一下已知的降低待机功耗的技术。待机功率主要取决于循环能量、启动电路、缓冲网络和最小负载要求。降低空载开关频率并使用有源启动电路和齐纳缓冲器网络而不是电阻电容二极管缓冲器可以降低待机功耗。不幸的是，其他电路特性也会增加待机损耗。因此，提前制定一项策略有助于保持较低的待机功耗。

电源设计人员面临的主要挑战之一是不可能构建理想的电路，因为任何实际的电路板都必须处理寄生电容和电感以及系统中的噪声。

当生成两个或多个隔离输出时，这些挑战会变得更加严重，如图 1 所示。通常，电压控制环路仅调节一个输出;但通常情况下，电压控制环路仅调节一个输出。变压器绕组的耦合半调节另一个输出。图 2显示了一个输出的调节。外部误差放大器 (U1)通过电阻分压器(R high1、 R low1 )连接至输出 V OUT2。光耦合器有助于将误差信号传输到初级侧。

图 2连接到 V OUT2的外部误差放大器原理图显示了一个输出的调节。

由于变压器绕组的耦合，另一个输出 V OUT1 (3.3 V) 仅是半调节的。但是，在轻载或空载条件下的待机模式下会发生什么情况呢?为了回答这个问题，请考虑图 3 ，它显示了 V OUT1 (3.3 V) 和 V OUT2 (12 V)的次级绕组电压(也称为次级开关节点)。

图 3在轻载或空载条件下，次级侧开关节点的过冲可能是一个挑战。

您可以轻松识别超调，然后在接通时间结束后振铃。基本上，初级开关节点的过冲会反映到次级侧。在轻载或空载条件下，这种过冲可能是一个挑战，特别是对于未稳压输出而言，因为它通过输出二极管 D1 和 D2 为输出电容充电，如图 1 所示。过冲可能导致未稳压输出电压升至非常高的价值。

意外过冲和振铃的主要原因是什么?这是功率级和电路板的寄生效应，包括变压器的漏感。漏感是由变压器中不与其他绕组耦合的一个绕组的磁通量引起的。该能量消散到变压器外部并发生过冲。图 4显示了主开关节点电压，它基本上是金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的漏极至源极电压。

图 4主开关节点是 MOSFET 的漏极至源极电压。

变压器漏感的影响

既然您已经了解了过冲如何对轻负载的交叉调节产生不利影响，那么问题就出现了：为什么不将其强力钳位呢?通常，缓冲器钳位电路将过冲电压限制在一定水平。钳位电路吸收存储在变压器漏感中的能量，并且根据钳位电压的值，还将吸收一小部分磁化能量。随着钳位电压下降，钳位中损失的能量迅速增加。

由于能量损耗较高，因此必须允许一定的开关节点电压过冲。最小过冲主要取决于漏感。使用现有变压器，不可能将过冲限制在每个预期水平。在订购定制变压器样品之前，您必须考虑优化的变压器结构。目标应该是最小化漏磁电感与磁化电感的比率。

漏感很大程度上取决于物理绕组的几何形状。一般来说，有两个变化会减少漏感：减小初级和次级绕组之间的电介质间距以及增加它们之间重叠的表面积。因此，使用交错绕组结构和更宽的绕线管并将各层进一步移到一起将导致低漏感。不幸的是，需要权衡。这些变化通常涉及增加寄生绕组间电容，从而增加共模电磁干扰。因此，您应该从一开始就与变压器制造商密切合作，以找到优化的变压器结构。

现在，让我们再次看看生成两个输出的设计：3.3 V (V OUT1 ) 和 12 V (V OUT2 )。某些应用需要对较低输出电压进行更严格的调节，因为它通常需要较小的容差。假设 V OUT1 (3.3 V) 将被调节，而较高的输出电压 V OUT2 (12 V) 将保持不受调节。因此，V OUT1被调节至3.3V，而变压器绕组的匝数比决定V OUT2。即使在轻负载下，这种配置也适用于具有低寄生效应(包括低漏感)的系统。

然而，如果漏感很大，绕组的耦合很差，过冲也很大，那么交叉调节就不再好，因为变压器绕组电压比不再与绕组匝数比成正比。因此，V OUT2可以非常快速地上升，很容易变为预期水平的两倍甚至更大。电阻器或齐纳二极管会限制电压，但也会显着增加待机功耗。因此，您需要考虑其他可能性。

因此，调节较高的输出电压V OUT2可能会有所帮助，而不是调节较低的输出电压。如果未调节的输出V OUT1通常不超过V OUT2的值，则原则上低压输出最多可以达到高压输出的电平。这意味着在某些情况下，调节较高的电压是有利的，因为这样做将在系统中保持较低的绝对最大电压。

与往常一样，需要进行权衡，因为对不受监管的输出的监管会更差。一种折衷方案是同时调节两个输出，如图5所示。只要您不需要输出之间的隔离，这种方法就很有效，但有一个缺点，因为无法以非常高的精度调节任何输出。