降低離線電源啟動電流消耗的方法

引言

開關(guān)電源(SMPS)可以方便、高效的把較高的(市電)電壓降成適合負(fù)載工作的電壓。開關(guān)電源的核心是脈寬調(diào)制(PWM)控制器。PWM控制器需要電源才能工作，當(dāng)PWM控制器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，通常都是從一個輔助繞組來獲取工作所需的能量。然而，在PWM電路穩(wěn)定之前，即使已經(jīng)接通了輸入電源，

當(dāng)Vcc電容上的電壓達(dá)到規(guī)定門限電壓(Vcc turn on)值時，PMW控制器開始進(jìn)行脈沖調(diào)制，同時自身消耗也急劇增加，此時電阻上的啟動電流可以忽略不計，僅由Vcc電容單獨(dú)向PMW控制器供電。如果設(shè)計合理，經(jīng)過幾個ms后，通過二極管連接至Vcc的輔助繞組就可以接替Vcc電容供電給PWM控制器，因此計算Vcc電容值的主要依據(jù)是在輔助繞組接替供電工作之前，需要電容器Vcc為控制器供電的時間內(nèi)。如遇到偶然情況，例如過載，Vcc的電壓低于欠電壓鎖定電平(UVLO)時，PWM控制器將停止輸出脈沖。在選擇UVLO電平時，既要保證為PWM控制器內(nèi)部邏輯電路提供合適的偏置電流，又要保證MOSFET有足夠的Vgs。記住，在電流模式SMPS中， Vgs是驅(qū)動電壓減去檢測電阻上的壓降，通常為1V。圖1給出了用UC3843控制器構(gòu)成的離線電源的典型結(jié)構(gòu)。

計算啟動電阻阻值有多種方法，其中之一是根據(jù)啟動時間(電源輸出電壓達(dá)到標(biāo)稱電壓所需的時間)來計算。啟動時間由startup1 和 startup2兩部分構(gòu)成，startup1為上面提到的PWM控制器的啟動時間，startup2是電源電壓Vout達(dá)到目標(biāo)電壓所需的時間。通常startup2比startup1要小得多，

參數(shù)：

Startup1 = 250ms；

Startup2 = 10ms；

Vin 最小值 = 85×1.414 = 120VDC；

Vcc turn-on = 15V；

VUVLO = 8V；

ICC1 = 2.5mA ，ICC1為控制器以選定開關(guān)頻率工作的耗電流和MOSFET的耗電流之和。

圖1 帶啟動電阻的UC3843控制器啟動電路

圖2 可降低功耗的半波連接方案

圖3 當(dāng)輔助電壓上升到一定值時，雙極性晶體管就關(guān)閉

圖4 完美解決損耗難題的高壓啟動源

 除了要考慮啟動電阻必須采用昂貴的耐高壓電阻外，真正需面對的問題是：這個啟動電阻一直是與高壓電源輸入端相連的。當(dāng)這一高壓增至374VDC(265VAC)時，若將Vcc電平忽略不計，則啟動電阻上的功耗為3742/161 =868mW，也就是說，總會有高達(dá)868mW的功耗被白白浪費(fèi)，這完全違背我們設(shè)計低待機(jī)能耗電源的初衷...!

半波方案

圖2是另外的一個有趣的選擇。這個方案中，電阻不是直接接到Vbulk，而是接到輸入電壓經(jīng)半波整流后的輸出上。根據(jù)這個電路圖，市電電源半波整流后產(chǎn)生的充電電流為：

 (公式3)

半波電路的平均電壓為： (公式4)

根據(jù)公式4，可得出充電電流為：   (公式5)

圖1 中的DC充電電流為：

   (公式6),

其中Vpeak是整流后的AC電壓峰值。為了比較這兩種方案，我們令公式5和公式6相等，以計算出兩種方案在同等啟動電流情況下所需要的電阻：

簡化后得到： (公式7)

為了觀察半波方案在功耗方面的改善，可計算出兩種方案下所消耗的功率。與高壓輸入端比較，Vcc可以忽略，這樣：

   (公式8)

(公式9)

重新整理公式9可得：

=

為比較圖1和2中的功耗情況，令啟動時間相等，即可得到公式：

Pavg(Rbulk) = X·Pavg(ha lf-wave)

式中，

X = Pavg(Rbulk) / Pavg (half-wave) =

 -->x = ，

代入公式7，可得：X =

這樣：Pavg(half-wave) = Pavg(Rbulk) ·p/ 4.

可以看出，半波方案雖然功耗有略微的下降，但是充電電阻的能耗依然為861mW·p/ 4 = 676mW.......

雙極型啟動電源......

與其在電路中接一個“功率”電阻，不如設(shè)計一個小電源，在啟動狀態(tài)對Vcc電容充電，待輔助繞組起作用后再將其關(guān)閉。圖3給出了這樣一種解決方案，該方案采用了安森美半導(dǎo)體的MPSSA44和一個齊納二極管。圖中，當(dāng)Vbulk加電時，電阻R將為齊納二極管提供偏置電流，同時經(jīng)Vbe和D降壓后，給Vcc電容器充電。當(dāng)控制器發(fā)出脈沖后，輔助繞組的電壓將會上升。如果設(shè)計合理，齊納二極管上的電壓減去Vbe和二極管D上的壓降后會使D截止、并使MPSA44關(guān)閉，這樣，通過電阻R的電流就只剩下齊納二極管上很小的偏置電流。如此一來，可以說是真正做到了低待機(jī)能耗，這里的D用來防止出現(xiàn)致命的E-B雪崩。

直接與高壓輸入端相連

采用日益進(jìn)步的高壓技術(shù)，已經(jīng)能夠設(shè)計出幾乎無啟動損耗的電源，其工作原理與圖3相似，只是啟動電源用一個橫向MOSFET來實(shí)現(xiàn)。圖4是安森美半導(dǎo)體NCP1203控制器的內(nèi)部電路，NCP1203可直接由高壓輸入端供電。當(dāng)電源接通時，NCP1203的Vcc引腳可輸出典型值為3mA電流給Vcc電容器充電

結(jié)語

PWM啟動過程中的功耗問題有多種解決辦法。但是，在控制器內(nèi)部加上高壓電流源是最好的方法，因?yàn)樵摲桨冈诔晒与姾?，其功耗幾乎可以降?