智能功率管理 - 降低家电待机功耗的有效方法

本设计说明介绍了VIPerPlus系列AC-DC转换器IC中实现的可用于降低家用电器待机功耗的功率管理技术。通过使用VIPerPlus转换器，家电开关电源（SMPS）的设计人员可以通过以下方式满足最苛刻的节能规定：

• 高级轻载管理

• 零功耗模式（ZPM），使家电在操作周期结束时自动关闭

 

我们使用两个VIPerPlus高压转换器的评估板来展示实现这些技术的例子。

 

高级轻载管理

作为VIPerPlus系列的一款产品，VIPer01将800V雪崩坚固型功率MOSFET与固定频率PWM电流模式控制器集成在一个芯片中。它集成了高压启动、感测FET、误差放大器和具有频率抖动的振荡器，可以使用反激式、降压或升降压拓扑结构以及少量外部元器件来实现完整的AC-DC转换器应用。

VIPer01的重要特性可帮助用户符合有关轻载功耗的节能规定：

• 功率MOSFET和内部逻辑电路的低阈值使IC能够在低至 4.5V的电源下工作。

• 功率MOSFET的低栅极电荷和内部逻辑电路的低功耗意 味着IC消耗极低的静态电流。

• 脉冲频率调制（PFM）可降低轻载下的开关频率，从而最大限度地降低与频率有关的损耗。

 

以下部分将介绍这些规范如何影响真实世界中的实际性能，并报告VIPerPlus板在轻载情况下的性能测量结果。

 

VIPer01应用性能

意法半导体应用工程团队使用STEVAL-ISA177V1评估套件测试了VIPer01转换器的工作情况，该评估套件是一款宽输入范围的反激式转换器，可为5V单输出提供4.25W的功率。

在空载情况下，该板在230V AC下的功耗小于10mW，当为250mW负载供电时，它的效率高于60％，如图1所示。

 

 图1：STEVAL-ISA177V1评估套件的空载和轻载性能

 

先进的零功耗架构

另一款VIPerPlus器件VIPer0P可用于为周期性工作家用设备设计开关电源，如洗衣机等包含有限操作周期且通常在周期之间保持关闭的设备。VIPer0P在操作周期结束时自动将开关电源置于关闭模式，在关闭状态下的功耗小于5mW。

这消除了对这种设计中常用的双稳态机电开关的需求，提高了系统可靠性，并降低了系统的成本。事实上：

• SMPS可以由监控家电运行的微控制器来关闭，并进入对其输出端不供电的特殊状态。

• 一旦处于这种状态，开关电源已准备好由用户手动重启，且在230V AC电源下的功耗小于5mW。

 

该功能是一个零功耗功能，如图2所示：也就是说，它可以使系统达到IEC 62301标准第4.5节所定义的零功耗。它包含一个特殊的空闲状态ZPM，除了退出ZPM所需的电路外，控制IC完全关闭。控制IC中唯一保持工作的部分是零功耗逻辑模块，以及向其提供偏置电压的4V稳压器。

图2：VIPer0P转换器IC的零功耗功能示意图

 

ZPM的整体功耗由两部分组成：分支ZD1、RG、ZD2、M3上的功耗；以及由4V稳压器和零功耗逻辑模块吸收的大约1.5μA静态电流Iq，加上输出到外部电路的输出电流的功耗。

该功耗可以按如下估算：

 

 

在输入电压为230V AC时，假设最坏情况下的值为RG =28MΩ VZD1 + VZD2 = 20V、Iq = 2μA，ZPM功耗为4.2mW加上对外部电路输出的0.325mW/μA电流。

 

零功耗架构的实例

演示板STEVAL-ISA174V1基于VIPer0P转换器IC，实现了一个宽输入范围、非隔离、双输出反激式转换器，提供6.8W的总功率，如图3所示。

图3：VIPer0P转换器的STEVAL-ISA174V1评估板

 

它通过-5V输出提供4W功率，该输出由连接到反馈引脚上的误差放大器的同相输入端的分压器来严格稳压；并对7V输出提供2.8W功率，该输出通过两个输出绕组的匝数比的磁性耦合进行半稳压。 

意法半导体的应用笔记AN4836描述了该完全特征化的电路板。这里描述的应用符合节能设计的最严格的规定，如欧洲行为准则（CoC）第5版对外部电源的要求。

图4所示的数据显示，该应用在ZPM状态中具有零输入功耗，符合IEC 62301第4.5节的规定。空载运行时符合五星级节能标准。

图4：STEVAL-ISA174V1板的ZPM输入功率和空载输入功率

 

图5中的数据显示，通过连接Vout1和Vout2线路上的负载而构成的等效12V/6.8W SMPS在关闭模式下符合ErP Lot 6 Tier 2要求，并且具有10％的负载效率，达到欧洲行为准则（CoC）第5版设想的目标。

图5：STEVAL-ISA174V1板的轻载性能

 

小结

当今的电源单元需要更复杂的方法来提高性能，以满足最新的节能规定的要求。意法半导体的VIPerPlus高电压转换器采用先进的技术和巧妙的电源架构，以满足必须与高级用户界面连接的智能家电对高效电源的日益增长的需求。

VIPer01应用展示了如何轻松满足冰箱等连续工作家电的最严格的能源法规要求。另一方面，VIPer0P应用演示了如何建立巧妙的待机架构，包括与MCU的简单交互，以降低周期性工作的家电（例如洗衣机）电源的物料成本。

这种SMPS设计还提供了高可靠性和灵活性，并且仅需少量元器件。