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线性稳压器危机四伏

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  美国人把为许多消费设备供电的低功耗离线顶插式电源叫做“壁瘤”(wall-warts)。降低待机能耗的行动威胁着传统变压器/线性稳压器的电源模型比如这个型号MC78M12CDTRKG,迫使设计师考虑开关模式电源替代方案,但这种方案要付出什么代价呢?

  要 点

  .节能措施已列入法令全书;

  .对于节能而言,线性电源架构已经失去魅力;.简单的开关电源在竞争低成本非隔离电源市场;.隔离电源得益于低功耗芯片;

  .免费软件简化了磁性元件的设计。

  在全球经济变暖的大背景下,能源保护问题在任何和平时期的经济上从来没有象今天这么严重过。随着原油价格超过每桶 60 美元(卡特立娜飓风曾使之飙升至 70 美元以上),各国政府都紧张地关注自己的能源储备问题。显然矿物燃料总有耗尽的一天,而由于政治原因,依赖核裂变的替代性海量生成技术永远不会实现大众化。各国认识到像风能和潮汐能那样的可持续资源不足以填补能源增长的空白,于是各个经济实体纷纷将长期的能源供给信心寄托于核聚变上,如欧盟、韩国、日本、中国、俄罗斯以及美国,于是这些国家一起投资了一个数十亿美元的ITER 项目(拉丁文的含意是“出路”)。

  在这些措施紧锣密鼓进行的同时,我们唯一能做的就是采取紧迫的节能措施,其中一些措施已经出现在法令全书中。现在,诸如北美的能源之星(Energy Star)以及欧盟和澳大利亚的类似动议都还是自发的。但鉴于 2003 年横扫美国大陆的断电事故,以及对电力供应的类似威胁,一些像加州能源委员会(CEC)这样的机构正在推出各种节能措施,这些措施对家电与设备制造商都会造成全球性反响(见附文“全世界对能源浪费的猛醒”)。大多数动议首要关注的问题是降低待机能耗,从只消耗几个 VA 的手机充电器直到数千瓦的服务器群。在较低能耗端,开关电源实际是强制性满足能效目标,在大量应用中有效地扼杀了线性电源的生存空间。因为现在要把所有设备的功耗降低到节能动议的要求是不现实的,例如那些所谓“Silver-box”(银盒)电源,因此对低功耗辅助电源也有很大的需求。

  但无论是 PC、“壁瘤”或几乎所有消费电器与办公设备,它们都有一个共同思路,即需要尽可能高效地通过交流线实现少许能量的转换,而且成本还要尽可能低。研究过这个问题的人都知道,要在成本与效益之间达到最佳平衡是很困难的。磁性元件价格不低,离线电源很容易成螺旋形上升下降,这除了经济原因外还必须借助于象防浪涌器件那样大量的支持电路。此外,还必须强制性地符合 EMC 规范,这是一个十分重要的过程,半导体厂商随着自己的应用实例而逐渐熟悉它。

  非隔离式电源 IC

  制造非隔离式离线电源的传统方法是将电阻器和电容器串联构成一个 RC 降压电路(见附文“剖析”)。电路通过电容器的作用,将电压与电流作 90°相移,电容器就能作为无损耗电阻器而工作在理想状态。让我们回忆一下为早期收音机供电的电子管加热器,在英国的 Vintage Radio 网站上,它与计算元件的 Excel 电子表一起被列为杰出的技术进步。今天,这一电路的各种变形出现在各种白色家电上,如洗衣机控制器等,但它们的非载荷效率很差,因为为微控制器或其他敏感元件稳定供电需要用齐纳旁路稳压器。电容器的尺寸与电阻器的功耗也限制了这种电路的功耗,在现代设计中它的典型耗电不大于 30 mA,相关实例可见飞利浦半导体公司的应用注释(参考文献 1)。

  在电流只有数 mA 的情况下,在一个不太明显的离线降压电路实例中(图1)省去稳压步骤可以获得尺寸、成本与效率的好处。本例是一个数字温度设置点控制器的前端,运放与电阻器桥在交流电路上构成一个阻性分压器的下臂。可熔电阻器R1与半波整流器 D1 将电流引入滤波电容器 C1,为双运放和辅助电路供电,以便控制三端双向可控硅。测量显示,非载荷电流约为 1mA,当驱动级(图中未画)脉冲式驱动三端双向可控硅栅极时,电流上升至约 3mA平均值。可控硅在电路工作时导通,在待机状态时关闭,从而获得 66% 的效率,在此期间,模拟 Vcc 电压会从 21V(待机状态)降至 13V(工作状态),这对大多数模拟电路而言足够了。

  需要稳压和需要类似于多数 RC 降压电源的功率电平的非隔离式电路可得益于 Supertex公司独有的 SR03x 芯片。该类器件为 8 管脚 3.3V 或 5V 稳压输出,是一种通用输入、无电感、双输出电源,适宜高达 1.5W 的应用(图 2).未经稳压的线路电压标称为 12V,如果用一只齐纳管将芯片的接地浮动,就能够将输出电压任意设为接近输入电平。使用带散热片的 SO-8 封装时,稳压输出时芯片可以提供高达 30mA 的电流,以及用欧洲电源在非稳压线路上可实现50mA 的电流,或从 120V/60Hz 输出 100mA。该公司的欧洲销售经理 Nic Houslip 解释说,SR03x 在工作时从一个桥式整流器获得未过滤直流电压,并供给自己的内部电源。然后芯片作为一个普通的线性稳压器,用一个比较器控制未稳压的线路,当输入线路电压低于约 45V 时使外接的IGBT 或 N 沟道 MOSFET 导通,高于此电平时则关断。因此,确定电路所需的唯一存储电容器有足够容量值非常重要,典型的选择范围为 100F 至 470mF。

  Houslip 指出,当使用该公司的 GN2470 时,最佳效率约为 40%,因为IGBT 与其竞争产品 MOSFET相比, 正向压降更低。由于 IGBT 比 MOSFET 慢,因而可以省掉导通器件栅极电路中可选的 RC 滤波器,该电路能抑制 EMI。省掉电感可以节约不少成本。与主要批发商以及目录供应商提供的数据相类似,电源预计价格建议电源的材料成本约为 1.40 欧元。作为比较,采用 Supertex HV9910 和三只电感将交流电压作二次降压转换,从而获得一个恒流供给大功率 LED,该设计的成本约为 4 欧元,其中电感就占 1.77 欧元。该设计(Supertex 提供 HV9910DB5 演示板)来自于准备在中国进行生产的一个客户,因为在中国电感十分便宜。今天流行的是用目录上的元件制作原型,而到海外作批量采购。有一家瑞典公司将欧洲的设计专长与海外制造能力结合起来,这就是 Toroid 国际公司,它在英国也有设计与营销企业。

  Power Integrations公司的 LinkSwitch-TN系列可提供80mA~360 mA 的适用电流,采用单个存储电感和小型电路输入扼流圈的非隔离设计。LNK304能够以连续导电模式提供170 mA电流,它得益于能实现通用输入、12V/120 mA输出的降压转换器的参考设计和评估板(EP48)。该芯片集成了一只700V的 MOSFET,还有以固定 66 kHz 速率作导通元件切换的控制电路,以一只标准的 1mH 电感提供高达 120 mA 电流。芯片根据反馈信号来跳跃开关周期,从而对输出电压进行稳压,并通过内部电流设定限制了电感峰值电流。这种结构与传统的 PWM 控制器不同,后者是改变开关的占空比。在没有任何反馈超过 50 ms 时,芯片进入自己的 800 ms 自动起动周期,提供过载和短路保护,直到故障状况解除为止。对成本的估计是,使用主流分销商的元件价格时,在 5000 件批量下不高于 2 欧元,电感占 0.75 欧元。

  隔离要求使用SMPS

  无论是数瓦的充电器还是高达 120W 的笔记本电脑,外置电源都毫无例外地要求有安全隔离。这一领域活跃的厂商包括 ASIC Advantage公司、Fairchild Semiconductor公司、Philips Semiconductors公司、Power Integrations(PI)公司、STMicroelectronics(ST)公司和 Texas Instruments(TI)公司。IPS 18 是 ASIC Advantage 公司最新的隔离式SMPS 控制器,该公司以 In-Plug 商标销售自己的离线产品。该器件面向极低待机功耗的应用,具有从 30kHz 至 150 kHz 的宽工作频率范围,占空比从 0% ~66%。它采用了称为“hiccup-mode”稳压方法,实际是过载保护的一个有效特例,即芯片监控外接 MOSFET 初级侧的电流,以控制向 SMPS 隔离变压器提供的能量。在轻负载情况下采用周期跳跃方法可降低电路功耗,并且还能通过一只 100Ω 电阻器将芯片 Vcc 管脚拉至地电位,从而关断初级电路。

  Fairchild公司 最近推出了它 FPS(Fairchild 功率开关)系列的低待机功耗版,现在该系列覆盖 4.8W 至 170W。在该范围的低端,FDS200/210 适用于普通充电器和辅助电源的 5W 区域。这两款芯片非常类似,FDS 200 省掉了变压器偏置绕组,但其内部的 7V并联稳压器的功耗略有增加。FDS210 也可在无负载状态下实现脉冲串模式运行,使待机功耗降至 0.1W 以下。两款芯片均使用固定的 134 kHz 工作频率,具有 ±4 kHz 的频率调制,将辐射扩展到更宽的带宽上,便于解决EMC 问题。控制方法是用光耦反馈、0%~65%占空度的 PWM。另外还有一个内部起动开关用于软起动,几种保护机制包括带滞后的欠压锁定、逐个脉冲限流,以及热关断。芯片有一个自动重新起动模式,采用省去通常8 脚封装第 6 管脚的 7 脚 DIP 封装,因而增加了电源管脚之间的漏电距离。

  软件与应用说明通常是开始实际设计的最佳途径。Fairchild 的应用说明 An-4138 提供了每一步的设计说明,包括变压器布局,软件支持则来自该公司免费的 Design Assistant 软件包。这个 5.3MB的下载包支持回扫和准谐振拓扑,它带有一个很有用的设计工具包,在说明公司的 PWM 控制器和集成电源开关以前介绍了磁性元件与 AC/DC 拓扑,这是一个很棒的学习资料。

  Edwin Kluter 是 Philips Semiconductors 公司的集成电源系列产品经理,他认为虽然一些官方需求已很严格,但日本的消费产品制造商正在追求将手机充电器的待机功耗降至 50mW,这比即将立法的要求低两倍。Kluter 解释说:“能在自己产品中节省最多能量的消费产品公司会首先被政府奖励‘绿色标志’。这在日本非常重要。”他所在公司在消费电子中涉猎甚深,所以元器件部的大部分设计都关注内部功耗,现在一件有意思的事是 LCD 屏幕会很快“淹没”CRT 电视市场:“价格正下滑到每个人都用得起 LCD 的地步。”Kluter 对这类应用中的大功率电源作了评论,他认为现在超过 75W 的系统有三种电源设置:主电源加一个辅助待机电源,以及功率因数校正级。他说必须改变这种结构安排才能降低成本,这对今天的电源系统 IC 设计者来说是一个重要的集成化挑战。

  在低功耗端,Philips公司 的 STARplug 系列成员 TEA1623P适用于待机功耗低于 100 mW 的通用输入离线电源。该芯片集成了一个 650 Vdc、6.5Ω MOSFET 和一个0% ~ 75% 占空比 PWM 控制器,以及建立 10W 输出低元件数回扫电源所需的所有辅助逻辑(图 3)。增加一个光耦反馈可以扩大从变压器检测绕组的间接电压模式检测,也改善了 8% 的基本稳压水平。典型运行频率为 100 kHz,运行频率可以通过外接 RC 组合从 10 kHz 起调整。值得注意的是,该芯片使用了 Philips 称之为“谷切换”(valley switching)的技术,这种技术可以使下一个开关周期有最小的初级电压反射。由于该芯片永远工作在间断的导通模式,因此这种策略可降低开关损耗,并使集成的功率 MOSFET 的导通应力最小。与很多其他IC产品一样,TEA1623P 采用了先进的消隐功能,限制初级端的峰值电流,以进一步抑制开关元件的压力。保护方法能够逐周期地防止过压、过热和过流,以及变压器绕组短路。在 10W 级别上输出效率可高于 75%。

  Power Integrations 公司最近也扩展了自己的器件系列,现在能够覆盖 2W ~ 290W。近来的测试证明了它易于设计和具备可靠的电路性能,系列产品商标是 LinkSwitch,代表产品是 LNK500(参考文献 2)。现在,该公司正在用两个新产品系列努力满足最新一轮低功耗墙式适配器的效率要求,这些要求很快将在欧洲、美国、澳大利亚和中国生效:用于 2W 电源的是 LNK562/563/564 LinkSwitch-LP 系列,用于 4W(封闭式)或者6W(开放式)的是 LNK362/363/364 LinkSwitch-XT 系列。Power Integrations公司 仍提供很多参考设计,它们均能满足全球的效率要求,同时具有最少的元件数量以及最低的制造成本。芯片采用隔离式回扫结构,必要时可以用光耦反馈实现更严格的稳压。还值得注意的是,该公司的应用支持扩展到了它的 Green Room,从全球多个代理机构提供有关效率与未来稳压的升级与指导。

  LNK564 适合用于替换线性变压器的应用,对线性变压器来说,电压与电流的稳定性相对较宽松,LNK564电路可以从通用交流输入线获得 2W 功率,平均效率为 60%,无负载功耗低于 150 mW(图 4)。LNK36x 系列采用了一种常见的 132 kHz 开关频率,通过改变电流极限来适应替换物的功耗水平,LNK56x 系列则共享通用的 136 mA 电流极限,但开关频率在 66kHz、83kHz 和 100 kHz 之间变化,以实现 1.3W、1.7W 和 2W 的不同输出功耗。该公司欧洲销售总监 Ben Sutherland 指出,这种产品策略使设计师能为整个系列使用一种变压器设计,并省掉变压器初级绕组的箝位。“通过精心设计变压器以及硅片 ±7% 的严格电流极限,约束了电压反射,从而无需箝位保护,同时,变压器的设计也省掉了一般为满足 EMC 目标所必需的 Y 电容。”后一种步骤将变压器初、次级之间的泄漏电流降至不足 1μA。Sutherland 认为,在 120V 供电时,还可以省掉看上去冗余的二极管(图中的 D2),通过另一个模块的反向电流而提高较高电压时的 EMC 性能,而开关频率抖动约5%有助于满足EMC规格。另一个有意思的降低成本策略是确定输入电感 L1 的合适值,并将它套上散热片像保险丝那样起到一物两用功能。

  新芯片的特点是提高了安全性,如很宽滞后的75℃过热关断。Sutherland 称使用低成本 SRBP(合成树脂胶合纸)印制电路板时,这种预防措施是很有必要的,因为这种电路板的平均耐受温度低于100℃。中档的 LNK363 的批量价格不到 2 美元,可以帮助设计师降低典型的 3W 稳压电源制造成本。与之相比,Sutherland 指出,传统的低成本离线设备中占统治地位的自激振荡 RCC(环状扼流圈转换器)设计几乎没有任何保护措施。此外,RCC 设计不可能将无负载功耗降到可接受的限度,因为它们会在轻载时提高开关频率,有损效率(见附文“剖析”)。

  磁性元件设计是关键

  Sutherland 在强调变压器设计的重要性时认为,应在变压器中对平衡和抵销屏蔽进行仔细布局,在 10W左右的很多应用中,无需共模扼流圈或 Y电容器就可能满足 EMC 标准。他举例说,EE-16变压器的典型价格约为0.20美元(批量50万件),并指出该公司与德国的 Kaschke公司和Vogt Electronic公司以及印度的Hical Magnetics公司有伙伴关系,它们都专门提供适合PI设计的变压器。PI Expert Suite 设计软件现在也包括变压器设计程序,它能产生有关结构的详细指令,包括满足EMC要求的屏蔽选择,以及线轴上绕组的精确绞合。电路设计软件的其他改进包括支持负极性输出、额定二极管电桥正向电流与反向电压,以及将设计结果输出为 Word 和 Html 格式的功能。

  STMicroelectronics(ST)公司功率 MOSFET 营销经理 Maurizio Guidice 说,在离线充电器市场上,效率与成本、尺寸与重量都是重要的差异化因素。“消费者只是不喜欢沉重的大家伙。充电器比手机还重的产品是无人问津的。”他还估计,在 5W ~ 7W 范围内,开关模式设计的成本会很快低于等效额定值的线性电源的一半。ST 的 Viper 系列就是为满足这个市场需求的产品,它包括数种集成 PWM 控制器以及功率 MOSFET IC,在直流输入电压为 600V ~ 700V 时最大输出电流范围为0.352A ~ 3A。Giudice 将 600V~800V电压看作今天离线通用输入 MOSFET 应用的“分水岭”,他所在公司现在销售适合于大功率电源的 400V ~ 1kV 分立器件,出于热管理和成本因素,这些电源以今天的工艺技术无法与控制逻辑集成。

  ST 的低功耗 Viper12A是面向从通用输入交流电路获得 5W 功率电平的电源,采用 SO-8 封装,稍高功率的(8W)则用 DIP 封装。此外,该芯片可以将待机功耗降到 100 mW 以下,因此适合于全球的大多数离线充电器应用,这一点也符合欧盟准备在 2006 年以后对墙挂式适配电源的要求。另外它还可以用于白色家电中最低成本的非隔离电源配置。该器件内部包括一个固定频率为60 kHz的振荡器,以及一个控制 MOSFET 的中央逻辑块。该芯片采用电流模式 PWM 拓扑,包括监控电源线欠压和过压、芯片过热以及输出驱动级电流的内部电路的输入。电流检测反馈管脚提供整体设置点控制,当供给低输出电流时自动将芯片切换至脉冲串模式。这种安排可以在 8 脚封装上有效地安置四个连接,分别为 MOSFET 的漏与源,以及控制逻辑的反馈与 Vdd,Vdd电源一般取自辅助变压器绕组和二极管-电容器电路。宽松的 9V ~ 38V 工作电压范围进一步降低了实施成本。

  为了帮助用回扫拓扑设计来配置SMPS,ST 免费下载的 Viper Design 软件套件可使工程师实现电路性能变化的估计,特别是传导损耗、发热问题以及针对一组输入变量的效率估计。用户可以用软件面板修改重要参数,如交、直流电路输入参数、变压器配置、Viper 器件选择,以及输出规格。更重要的是,该软件可以对用户选择的几个输出值自动完成变压器设计,并且有详尽的信息,如建议的磁芯材料和绕组结构,以及计算功耗和核心温升(图 5)。另外还有一个令人印象深刻的波形仿真器,可以绘出多种参数的轨迹,如 MOSFET 漏极电压和电流、电路增益和相位,以及总功耗、效率与输入电压和输出功率的关系。材料清单可以立即用于硬件原型设计。

  德州仪器(TI)公司已经有一段时间缺席离线SMPS市场的竞争了。TI系统电源管理部的应用工程师 Aung Tu 说,TI 的 UCC3581 是第一款“绿色芯片”SMPS 控制器。在 1996/97 年时,该芯片的微功耗源于 ISDN 电话线对功耗的需要。TI目前正在计划的新一代绿色控制器,用于 50W 以上的功率等级,适合于必须满足能源之星以及类似要求的应用。Tu 指出,在 75W 等级有一个自然的门槛,超过这个门槛欧洲法规要求达到有效的功率因数校正(关于这个问题的最新进展,请见 Joshua Israelsohn 在 EDN 上的最新特写-参考文献 3)。Tu 注意到,50W 电源要满足能源之星 84% 的效率相对比较容易,而在大功率 silver-box(银盒) 电源中要获得高于 80% 的效率则非常困难,因为功率因数校正电路一般也只有 90% ~ 95% 的效率。

  可能的解决方案包括用可变频率的准谐振拓扑代替固定频率的回扫设计,后者由于成本低一直占统治地位。Tu 建议说:“回扫成本低廉,因为它可以用单端驱动器和一只 MOSFET,因而元件数量低于正向转换器。准谐振转换器有一个天然优势,即它的开关频率依赖于电感器中的电流,因此更适合于像 PC 这类设备的大范围工作电流。”控制器还需要有一些功能,如在低负载情况下关闭功率因数电路,以减少待机状态下的功耗;并且还有要诸如软起动控制以减小电路应力之类的功能。TU 指出,能源之星对 10W 以下外接电源的待机功耗要求不高于 500 mW,而要求 180W 以下的电源待机功耗低于 750 mW,可见十分严格,他认为待机功耗是设计师现在面临的实际难题:“现在还没有人能够不求助于与主电源并行工作的单独低功耗带电电路就可满足对大功率电源的要求。”

  除了任职于TI以外,Tu还是电源制造商协会的成员,这一特殊兴趣小组正致力于游说建立更可行的标准。Tu认为全球稳压器趋势现在正追随技术的脚步,他的观点得到了其他公司的响应。为电源增加不必要的费用不是出于商业考虑,除非存在贸易壁垒或其他动机,正如PI公司 Sutherland 所指出的那样,如果强制推行不经济的节能措施,只会使有着良好动机的稳压器得到失败的结果。

  --------------------------------------------------------------------------------附文:全世界对能源浪费的觉醒

  在普通家庭或商务应用待机状态下浪费的能量确实令人吃惊。欧洲委员会(EC)预计,在全欧洲,外接离线电源适配器的待机能耗将从 1996 年的 8TW hr上升到2006年的 14 TW hr。现在,EC 只是要求制造商 0.3W 至 150W 范围的电源满足最小的无负载效率标准。据悉厂家自愿的经营法规将从 2010 年起节约 5 TW hr,每年节省 5 亿欧元(参考文献 1)。但经营法规文件仍继续称“可以预期家电设备中应用高效电源可以节省更多能量,如电视、录像机、微波炉等。”在能耗公式中,电源质量是另一个重要因素,单靠提高效率不可能解决能源供应问题(详情见参考文献 2)。在其他地区,也有各种动议试图将 IT 设备的待机功耗降至 1W 以下,人们把它看作是进军家电和一般设备的桥头堡。例如,2001 年,布什政府明令所有联邦部门在选择 IT 设备时都必须符合联邦能源管理计划标准。现在,绝大多数这类设备均进入了最高 1W 待机范围,到2006年1月,所有设备的待机功耗都不能大于 3W(http://oahu.lbl.gov/)。加州、Pacific Northwest 及美国东部海岸一些州的 80 Plus 项目是一种补充(www.80plus.org),它将对符合某些标准的计算机制造商每台 PC 奖励 5 美元,每台服务器的制造商奖励 10 美元,标准是电源功率因数不低于 0.9,在 20%、50% 和 100% 品牌标称功率下效率不低于 80%。计算机业希望 80 Plus 可以在今后两年内成为新的能源之星(www.energystar.gov)规范的基础,其他设备制造商则将其看成更广泛规定的前奏。

  但“壁瘤”(Wall-Warts)却要立刻面临规定的巨大变化,加州能源委员会(www.energy.ca.gov)规定从 2006 年 7 月 1 日起,规定所有单输出的 AC/AC 和 AC/DC 外接电源都要在 25%、50%、75% 和满载情况下满足最低效率标准(图 A)。CEC 的规定现在已经被亚利桑那州、罗德岛和华盛顿州采用,并在中国成为自愿标准,澳大利亚将在2006年4月强制执行,它对大量的低功耗离线电源的无负载和轻载工作状况产生了很大影响,实际上杜绝了线性电源的使用。就其尽早采用的问题,业界观察家发现澳大利亚已经决定积极应对这一问题,因为在他们国家没有要保护的电源工业。由于这些产品几乎都来自远东地区,因此对亚洲生产商的冲击较大。

  英国政府更关注家庭,它估计没有实际使用的家电每月要消耗7.6 亿kWhr,等效于1 GW 的连续输出,或该国总电耗的2.25%(参考文献 3)。该报告强调“市场转型”是法规的补充,倾向于对未来改善效率而对各种相关团体的开发策略进行组织。该报告引用机顶盒作为一个重要例证,表示过去几年来,由于市场转型原因,机顶盒的平均功耗已从 27W降至12W-15W。但值得注意的是,表示这一结果“只不过缓和了糟糕的现状”,并将市场转型描述为“一种有限伤害的运动”,言外之意是设计师可以继续期待法规能迫使实行能效标准。--------------------------------------------------------------------------------附文:剖析-价格上他们是如何做的?

  为与 EDN 最新的“剖析”栏目保持一致,剖析其他设计师的成果总是很有启发性,也很有趣,这样可以看到他们实现自己目标的方法。以下,让我们看看那些最低成本市场上的各类电源。

  图 A 中的RC 降压电路来自一个直接插入230V、50 Hz插座上的夜光灯,它证明了那些真正对成本敏感的设计所使用的一些技术。元件R1和C1为桥式整流器馈送约9VAC电压,为带有一条未经过滤的线路的控制部分提供约7.5V电压(AC+DC、无负载)。标称为 X 级的安全电容器C2与熔丝电阻器R1一起提供初级浪涌保护,而R2和R3则确保电容器的安全放电路径。用户在从墙上插座拔下电源时,经常会不小心碰触到管脚而发生由于泄漏电流导致的刺痛问题,提供放电路径就可以避免出现这种情况。

  齐纳管将Q2的集电极初始直流电压箝位到一个安全值,为琥珀色LED提供电流,即Osram PowerTOPLED,它能承受2.2V典型正向电压下的70 mA 连续电流。固定值的 R5 和光敏电阻R6构成一个阻性分压器,其比率随环境光的强度而变化,对Q1的导通作调制,这样Q2改变进入LED的电流,从零至27 mA。整个电路负荷在LED熄灭时为38.54 mA电流,而在全亮时为38.64 mA。假定为LED提供能量是电路的目的,那么在消耗约9W时效率只有糟糕的0.26%,功率因数只有0.14,这是RC降压方案固有的低性能结果,但这对此类低功耗电源并不重要,因为最终产品在零售商货架上只卖不到4欧元。

  如正文中所说,Supertex 的SR03x芯片能与RC降压电路竞争。那么它们能实现什么性能?通过对SR036-DB2演示板的测量显示,在无负载时电流为3.93 mA,功率因数为 0.25,电压为3.35V和17.4V。可惜,下次上电时演示板却没有这种性能了,而且原因无法立即查明。但一个技术公告板上有篇“SR03x上电浪涌保护”解释了这一现象,当在 230VAC 电源的正弦波峰值处起动设备时,经常会发生这种故障。然后IGBT或MOSFET 的栅源寄生电容会将电荷注入器件栅极,使之难以接通输出存储电容器,即刻出现短路,从而损害了导通元件和芯片。解决方法是用一只晶体管和一只电阻器将3A峰值电流限制一个足够的时间,使 SR03x 有时间得到导通元件的控制,即图 2 中虚线区所示。

  这种情况提醒我们,与交流线路电压打交道不是儿戏,即使是功率不大的场合。它还特别提醒采用隔离变压器和变容二极管的倾向,因它们会在接通时产生很强的反电势反射进供电的设备。演示板说明警告说不要使用任何这类变压器,它们的“大电感会干扰SR036 的正常运行”,这是用户在规范所有测试达到230V时很容易漏掉的问题。但在其他情况下,这也意味着变压器潜在的有损电压反射作为一个原始的瞬态发生器用于评估浪涌保护措施的效果方面可能很有用。

  对230V、50Hz输入的第二组直接测量表明,SR036 的无负载输入电流为5.1 mA,功率因数为0.3,或约1.2W 和5VA。无负载电压为3.38V,并有1V峰峰值的50 Hz纹波,在16.48V 时有大约750 mV 的线路频率突破。电路作为低频调制器确保没有可感知的高频能量。当稳压输出为20mA时,整体耗电增加到25mA,而输出掉至3.35V、750mV功耗,表明检测电路也可以通过进一步过滤而获益。在未稳压输出端接一个25mA负载会再增加5mA的交流线路电流需求,同时未稳压输出降至11.6V,包括1V峰峰值的100 Hz锯齿波。这些负载条件经过20℃环境下的稳定之后,SR036的表面温度上升至48℃,它有散热金属片封装,和两块面积14mm×6.5mm的印制电路板作为散热片,而GN2470的双侧 16mm×34mm散热片则能将其外壳温度限制在21℃。这些结果显示,SR03x具有优于RC降压器的性能,很容易进行设计,成本在小批量时约为1.40欧元,只占数平方厘米的电路板空间。