超低功耗开关电源的分析与设计

现在，许多消费类产品OEM制造商所生产的电子设备都具有超低待机功耗，但真正的目标还是要尽可能地接近零功耗。Power Integrations新推出的两款高压MOSFET可以帮助设计师将电路中的耗能元件隔离开，从而达到优化设计和实现零空载功耗的目的。

消除待机功率

此类电量的节省会对整个国家的发电站配备要求产生直接影响，并且，它已成为各监管机构所颁布的能效法规中的关键内容。以电视机接收器为例，包括能源之星和欧盟生态标签(EU Eco-Label)在内的众多能效计划现在都将最大待机功耗规定为1瓦。作为其节能计划的组成部分，欧盟委员会已针对用能产品(EuP)的待机和关断模式损耗颁布了用能产品指令Lot 6。Lot 6于2009年初生效，其要求比以往更为严格。自2010年起，新产品的待机功耗必须低于1瓦。到2011年，具体数值将进一步减小，输出功率≤ 51W的适配器将降至300mW，输出功率> 51W的适配器将降至500mW。

设计超低功耗的开关电源

如今的开关电源控制器IC已达到相当先进的水平，设计周密，足以满足待机功耗标准。电源设计师只需遵循应用指南即可获得可接受的设计。但要想使待机功耗达到标准的十分之一或更低，则需要更加关注细节。必须对每个电源元件进行优化，使每次调整都能节省一定的功耗。图1所示为典型反激式开关电源设计中需要优化的区域。

图1：用Power Integrations的TOPSwitch-HX优化过的开关电源。

这款20W电源(DER-188)能够在0.3W输入功率下提供0.2W的待机输出功率，在230VAC下的空载功耗极低，小于100mW。但是，如果要进一步降低待机功率，使其尽可能接近零，该怎么办呢?

首先会想到的元件是输入滤波器。该元件始终与市电电源直接相连，因此这里的任何电流消耗都必须消除。电阻R1和R2也比较突出，因为它们直接跨接在输入两端，且与X电容C1并联。如果电源已断电，断开瞬间的市电电压会保留为电容中的直流电荷，因此存在于电源插头引脚。由于存在潜在的电击风险，安规机构规定电容值高于100nF的电容的自动放电时间常数必须小于1秒。电阻R1和R2的作用就是对电容C1进行放电。这两个电阻通常以串联方式连接，以便达到安规机构的单点故障测试要求。

从功率预算的角度来看，这些电阻的存在是极不适宜的，因为无论电源是否工作，它们都会持续消耗功率。在所示的应用中，输入滤波器使用100nF的电容C1设计而成，因此不需要使用这些电阻。但增大电容容量有很大的益处：可以相应减小扼流圈L1，从而节省尺寸、重量和成本。但对于1μF的电容来说，R1和R2的总值将必须达到1M?的最大值。在230VAC输入下，电阻将连续消耗53mW的功率。

消除电流消耗

要想实现待机电流接近零的目标，就必须找到能消除R1和R2连续电流消耗的解决方案。Power Integrations新推出的CAPZero IC可以轻松实现这一点。图2所示为CAPZero在典型应用中的使用情况。

图2：CAPZero的典型应用。

每款CAPZero器件均采用集成AC损耗检测器和背靠背MOSFET的SO-8封装。当存在AC输入电压时，CAPZero保持关闭状态，阻挡电流进入放电通路，消除功率损耗。AC电压消失后，CAPZero开启，接通电阻，允许输入滤波电容放电。CAPZero通过AC线路自行供电，在230 VAC输入时功耗低于5 mW。

CAPZero有两种电压等级(825V和1kV)和八个电流额定值(从0.25mA到2.5mA)。在直接跨接市电电源的情况下，CAPZero的高压浪涌抵抗能力显得至关重要。在大部分消费类产品应用中，825V CAPZero器件可以与金属氧化物压敏电阻(MOV)一起使用。对于浪涌要求高达3kV的应用，可以将1kV CAPZero器件与MOV配合使用。

图3描述了CAPZero器件在极端条件下的工作情况。在该测试中，AC输入连接松散，以便在触点产生电弧。测试表明，CAPZero器件不会因电弧的发生而保持“锁存关断”，而且，它可以准确检测AC功率损耗并在AC断电后对X电容进行安全放电。

图3：CAPZero 265 VAC/50 Hz，空载;VIN 100 V/div。