针对绿色模式应用的自举电路

1 引言

节约能源的需要极大地推动了离线电源低待机功耗的发展。全球许多国家都在采用绿色模式标准。欧盟行为准则 (EU Code of Conduct) 就是一个不错的例子，其具有非常严格的待机功耗规范。2001 年，欧洲的离线转换器输入待机功耗被规定在 1W 左右，到了 2007 年，大多数应用的待机功耗要求低于 0.5W。在离线电源中，设计人员已通过使用减少开关损耗的准谐振转换器及频率返送技术满足了这些规范。可使用的每项技术都将用于消除电源在待机模式下的损耗，甚至是自举电路带来的功耗也会使电源无法满足这些严格的待机输入功耗要求。该应用报告对仅在启动期间有一定功耗的自举电源技术进行了评论，并使满足这些新的绿色模式规范的要求变得更轻松。

表 1 2001 年至 2007 年欧盟行为准则

2 传统的自举电路

图 1 显示了一款由脉冲宽度调制器 (PWM) 控制的离线反向转换器。该转换器的输入为一个 85V (VIN(min)) 到 265V RMS (VIN(max)) 的通用输入。该示意图显示了 PWM 控制器的偏置电压 (VAUX) 是由一个反激式变压器的辅助绕组提供。电阻器Rt 和 CHOLD 形成自举电路。

图 1 采用传统自举启动的离线电源

3 传统自举电路存在的问题

一旦器件对开关 FET 进行有源驱动，PWM 控制器将消耗大约 0.25W 的功耗。通常，要对保持电容 (CHOLD) 的大小进行规定，以在电源启动时为该器件提供电源。在大多数应用中，CHOLD 的大小介于 50μF 至 100μF 之间。就该例子而言，我们将使用最坏情况下的 100μF 持续电容。该例子中的 PWM 具有一个大约 9V 的启动阈值，和大约 500μA 的启动电流。设计人员可以使用一个82-kΩ 的电阻器作为一个连续补充充电电阻器。这样可以容许大约 1.5mA 至 4.5 mA 的连续补充充电电流对保持电容器充电。Rt﹑CHOLD 以及 PWM 控制器的启动阈值决定了启动所需的最短时间。该配置中的自举电路能在大约 200ms 到 640ms 的时间内进行启动。唯一的问题在于 82-kΩ 电阻器在最大输入电压 (VIN(max)) 情况下可能要消耗大约 1.7 W (PRT) 的功耗，且未能通过欧盟待机模式行为准则。

设计人员可能采用的另一个方法是为连续补充充电电阻分配一个功率预算 (PLIM)，从而通过 EU 规范。就这个设计例子而言，我们容许连续补充充电电阻消耗 0.1W 的最大功耗。这就需要一个大约 1.4MΩ 的连续补充充电电阻 (Rt)。这种方法唯一的问题在于电源将需要大约 3 到 11 秒的时间开启电源转换器。而这对于大多数应用来说时间太长了。

4 解决方案

可以对图 2 中的电路进行配置，从而为离线电源转换器提供一个快速启动，同时在上电之后功耗极低，甚至没有功耗。这就使设计人员更轻松地满足待机功耗要求。该电路需要一个快速启动，以保持正常运行。大多数离线电源都具有一个电源开关 (S1)，当开关开启时，其将输入功耗迅速加载于电路。

图 2 低功耗待机自举电路

该电路构成了一个定时串联旁路稳压器。电气组件 R1 和 C1 组成自举电路的时序。电阻器 R2 、R3 以及并联稳压器 D2 设定启动时的 VAUX 电压。一旦电路暂停运行，它将被关闭，进入无功耗模式，从而使设计人员的设计满足绿色模式规范要求。当 C1 放电时，二极管 D1 将以一个负电压保护电路中的其他电气组件。电阻器 R4 限制了流入 Q4 的电流，从而使晶体管保持在其安全工作区域内。该电路的配置并不困难，并且可以根据下列的方程式进行配置。

规定了 VSHUNT 的大小，将辅助电压 (VAUX) 设为刚好高于控制器件的 UVLO 开启阈值。在串联旁通稳压器暂停运行之前，该电压一直为控制器件提供电源。一旦电路暂停运行，晶体管 Q1 将关闭，同时自举电路将不再有任何功耗并节约能源，从而使满足绿色模式规范要求变得更轻松。

通过选用 R3，并知道并联稳压器 D2 的内部参考 (VREF)，可以计算出 R2 的值。

对电阻器 R1 的大小做出规定，以为并联稳压器器提供一个偏置电流 (IBIAS(D2))。应对该电阻器的大小做出规定，以容许最少 3 到 4 倍的最小偏置电流（该最小偏置电流为并联稳压器产品说明书的推荐值）。这一电阻器可能由若干个串联电阻器组成，以满足 375V 的高输入电压要求。

根据电路启动所需的自举时间 (tBOOT) 规定电容器 C1 的大小。5 个 RC 时间常量后，自举电路将暂停运行。

5 自举电路性能

在一个配置有图 2 中 所示组件的离线反向电路中，构建自举电路并对其进行测试。保持电容 (CHOLD) 为两个并联的 47-μF 电容。该电路在试验室中完成构建和测试。将 120V 和 375V 的 dc 应用于输入端，对电路进行测试。这些输入电压为该设计最小及最大线压的峰值输入电压。测试显示，自举电路能够受以大约 50ms 到 100ms 的时间为该器件供电。与图 1 所示的连续补充充电电阻器技术相比，这大约快了 6 到 10 倍的时间。自举电路在大约 400ms 后暂停运行。可以通过范围图中的 V1 迹线，观察到这一现象。

图 3 将 120V DC 应用于输入端进行启动

图 4 将 375V DC 应用于输入端进行启动

6 结论

在离线电源设计中，对待机功耗要求越来越严格和苛刻。到 2007 年，欧盟待机功耗行为准则将其降至低于 0.5W。现在，正使用频率返送以及 0 电压和 0 电流开关技术来满足这些规范。设计人员需要消除任何可能的损耗，从而满足这些要求。上述的自举电路比传统方法更为快速。启动之后，该电路也会自行关闭，这就消除了不必要的功耗，并使设计人员更轻松地满足绿色模式规范。