针对电视应用的ECO待机和关闭模式

　　简介

　　如今，随着能源需求的持续走高，各国政府和节电机构越来越关注电源转换能效和待机能耗。由于许多设备始终处于通电但又不执行特定功能的状态，因此在全球范围内推出了多种自愿性和强制性规范标准。这些新标准着眼于降低空载待机能耗，最低要求限制在0.3W。由于这种空载模式的能耗负担与日俱增，主要的电视制造商正寻求进一步改善性能，将待机能耗限制在0.1W以下。尽管这并非强制性能要求，但它将有助于推动ECO待机模式的普及。

　　除了选择ECO待机模式外，还可以采用完全关闭模式，这种模式着眼于将能耗降低至25mW以下，甚至达到0W。如果最传统的方案是使用总电源开关，稍后我们将看到在成本和安全性指标上更优的另一种方案。

　　最终，电视制造商们会意识绿色产品能够带来更多的市场收益，在关注能源成本上升、具有环保意识的消费者面前，突显他们产品的与众不同。

　　概览

　　ECO待机电源转换器可提供极低能耗，也支持完全待机功能，可通过遥控、红外线(IR)功能和外设控制打开电视(欧盟SCART规范)。转换器在待机模式下消耗的电流应当低于8mA(或能耗低于40mW)，从而确保电视的总能耗低于90mW。这可能要求采用专用待机微处理器(µP)，后者已成为用于ECO待机模式的一种更先进的技术。

　　传统固定频率开关稳压器在提供最大输出功率方面的性能极佳，但由于采用使用压缩电流来减轻可能的噪声问题的跳周期模式，它们并不提供最佳的极低输出功率性能。我们过去喜欢采用磁滞模式开关稳压器，通过轻载和限制开关损耗来减少开关周期的数量。

　　即使总电源开关配合阴极射线管(CRT)电视在欧洲和亚洲被广泛使用，单平板电视并不需要部件遵从安全/标准规范(电压不高于4kV)。虽然并非强制性要求，但我们看到越来越多的平板电视开始配备总电源开关来支持“绿色关机模式”。虽然这种方案看上去最简单，但为了避免滋生安全问题及着火风险(可能需要氧化钒(VO)机壳塑料材料)，高峰值浪涌电流及开关周围所需的隔离(开关和线缆与电视机壳金属部件之间的主隔离)则使得机械设计既复杂又昂贵。开关在机壳中的位置也很重要，由于线缆位置可能导致EMI滤波器成为“旁路”元件，因此可能会增加电磁干扰(EMI)问题。

　　由于ECO待机方案在空载条件下的性能极佳，我们能够提供主电源端能耗低于25mW的关闭模式。该关闭模式由连接在次级端的小型低压/低成本开关来控制，不会增加任何隔离和EMI问题。这方案符合最严格的安全要求，不允许电视开关导通(否则开关关闭)，并且在任何安全测试中的能耗都不高于15W。

　　图1 待机开关电源初级端电路图

　　为了能够在待机和关闭模式下保持如此低的能耗，我们使用继电器来断开在这些模式下未被使用的元件的连接。继电器直接采用5V待机电源供电，并由电视机微处理器控制，在待机模式下可以避免约100mW的寄生能耗(PFC外围元件和主电源滤波器X2个电容放电阻抗)。

　　待机开关电源应当采用直接连接至主电源输入(在继电器前面)的专用二极管供电。由于待机模式下的功率受到限制，单相整流就足够了，由PFC输出“转移而来的电能(take over)” 利用400V电压为待机开关电源供电，该400V电压源自工作模式下PFC，能够在5V待机输出端提供高达7.5W的功率(1.5A电流)。

　　图2 提供400V PFC输出电压和最大输出电流时的导通(ON)模式

　　待机开关电源初级端

　　由于嵌入了启动稳压器，待机开关稳压器IC100能够在主电源电压范围内短时间启动(90Vac电压时，启动时间短于20ms)。此IC采用磁滞模式工作，内部限制最大恒定初级电流，提供稳压功能，并以可变周期调节转换的能量。为了在待机模式下提极低输出能耗，该控制器采用极低频率工作，使每个周期保持同样的最大电流，大幅减小开关损耗，从而为低能耗/ECO模式提供高能效(在90Vac电压下，空载时的71Hz跳周期模式频率上升至322Hz，从而提供8mA/40mW的输出)。

　　待机开关电源次级端

　　该电源设计提供单5V待机电源，在导通模式下具有最高1.5A电流。TLV431(即分流稳压器IC101)用于稳压，降低ECO模式的电流消耗(因为极化需要更低的电流)，并为5V电源提供更大的电压裕量。

　　功能型关闭开关

　　该开关可以比总电源开关小很多，仅要求10V电压和2A的直流电流。开关被连接在次级端，不需要与电视机壳的金属部件有任何隔离，且在电压低于10V时不存在任何着火风险。

　　整个方案满足了安全性要求，不允许电视机在开关没有动作的前提下就切换至导通/工作模式，并在任何安全测试(短路或任何电器部件开路)中都能确保主电源端的能耗低于15W。

　　在没有输出负载时待机电源仍将保持工作，采用230Vac供电时，主电源端的能耗小于25mW。该方案采用更低成本实现了更高的性能，并且避免了可能的安全问题，为电源总开关提供了极佳的备选方案。

　　图3 待机开关电源次级端电路图

　　待机/导通控制及过压保护(OVP)

　　源自电视机微处理器的“待机”控制将控制电源，使系统能够进入导通/工作模式，或迫使其处于待机模式。由于“待机”控制高达5V的电压，信号晶体管驱动继电器利用主电源电压为PFC供电，同时驱动光耦合器，以待机电源辅助电压VCC1为所有初级控制器/IC供电。

　　当电视进入待机模式时，继电器和光耦合器都将由待机控制线路变为低电平而关闭。

　　次级5V待机输出对地短路

　　在输出对地短路的情况下，IC中的电流将保持为相同的峰值，但由于不能完成能量的传递，系统将采用连续导电模式工作，变压器、IC和二极管中的均方根(RMS)电流要高得多。

　　由于关闭了稳压功能，驱动稳压引脚的控制器就没有反馈。而由于没有反馈控制，IC将停止工作，直到Vcc电压降到足够低以实现重启。电源将以低频(约7kHz)升压或跳周期模式工作，关闭时间占70%，从而避免出现任何过温或安全问题。

　　总体能耗及能效表现

　　• 关闭模式/空载时，输入功率低于25mW;

　　• 5V待机时，输入功率低于90mW，输出功率为40mW;

　　• 输入电压为90Vac时，在待机模式下5V待机端的电流消耗最大为500mA ;

　　• 输入电压为230Vac时，在待机模式下5V待机端子的电流消耗最大为1.5A ;

　　• 导通模式下，以源自PFC的400Vdc供电时，电流消耗最大为1.5A。

　　图4 安森美半导体最新电视电源GreenPoint参考设计中的ECO待机电源

　　结论

　　针对电视应用，现在可以采用能耗低于90mW、提供完整待机功能及符合所有规范要求的ECO待机模式。尽管这种模式要求专用额外的待机开关电源，但它无需复杂设计就具备大功率的转换器功能，能够提供很高的待机模式性能(对能效和安全性至关重要的额外开关)。尤为重要的是，这种方案由于具备极佳的“空载”性能，能以经济的“关闭”模式进一步降低能耗，还有助于提升可靠性，避免传统高压总电源开关方案附带的安全风险。