简介
如今,随着能源需求的持续走高,各国政府和节电机构越来越关注电源转换能效和待机能耗。由于许多设备始终处于通电但又不执行特定功能的状态,因此在全球范围内推出了多种自愿性和强制性规范标准。这些新标准着眼于降低空载待机能耗,最低要求限制在0.3W。由于这种空载模式的能耗负担与日俱增,主要的电视制造商正寻求进一步改善性能,将待机能耗限制在0.1W以下。尽管这并非强制性能要求,但它将有助于推动ECO待机模式的普及。
除了选择ECO待机模式外,还可以采用完全关闭模式,这种模式着眼于将能耗降低至25mW以下,甚至达到0W。如果最传统的方案是使用总电源开关,稍后我们将看到在成本和安全性指标上更优的另一种方案。
最终,电视制造商们会意识绿色产品能够带来更多的市场收益,在关注能源成本上升、具有环保意识的消费者面前,突显他们产品的与众不同。
概览
ECO待机电源转换器可提供极低能耗,也支持完全待机功能,可通过遥控、红外线(IR)功能和外设控制打开电视(欧盟SCART规范)。转换器在待机模式下消耗的电流应当低于8mA(或能耗低于40mW),从而确保电视的总能耗低于90mW。这可能要求采用专用待机微处理器(µP),后者已成为用于ECO待机模式的一种更先进的技术。
传统固定频率开关稳压器在提供最大输出功率方面的性能极佳,但由于采用使用压缩电流来减轻可能的噪声问题的跳周期模式,它们并不提供最佳的极低输出功率性能。我们过去喜欢采用磁滞模式开关稳压器,通过轻载和限制开关损耗来减少开关周期的数量。
即使总电源开关配合阴极射线管(CRT)电视在欧洲和亚洲被广泛使用,单平板电视并不需要部件遵从安全/标准规范(电压不高于4kV)。虽然并非强制性要求,但我们看到越来越多的平板电视开始配备总电源开关来支持“绿色关机模式”。虽然这种方案看上去最简单,但为了避免滋生安全问题及着火风险(可能需要氧化钒(VO)机壳塑料材料),高峰值浪涌电流及开关周围所需的隔离(开关和线缆与电视机壳金属部件之间的主隔离)则使得机械设计既复杂又昂贵。开关在机壳中的位置也很重要,由于线缆位置可能导致EMI滤波器成为“旁路”元件,因此可能会增加电磁干扰(EMI)问题。
由于ECO待机方案在空载条件下的性能极佳,我们能够提供主电源端能耗低于25mW的关闭模式。该关闭模式由连接在次级端的小型低压/低成本开关来控制,不会增加任何隔离和EMI问题。这方案符合最严格的安全要求,不允许电视开关导通(否则开关关闭),并且在任何安全测试中的能耗都不高于15W。
图1 待机开关电源初级端电路图
为了能够在待机和关闭模式下保持如此低的能耗,我们使用继电器来断开在这些模式下未被使用的元件的连接。继电器直接采用5V待机电源供电,并由电视机微处理器控制,在待机模式下可以避免约100mW的寄生能耗(PFC外围元件和主电源滤波器X2个电容放电阻抗)。
待机开关电源应当采用直接连接至主电源输入(在继电器前面)的专用二极管供电。由于待机模式下的功率受到限制,单相整流就足够了,由PFC输出“转移而来的电能(take over)” 利用400V电压为待机开关电源供电,该400V电压源自工作模式下PFC,能够在5V待机输出端提供高达7.5W的功率(1.5A电流)。
图2 提供400V PFC输出电压和最大输出电流时的导通(ON)模式
待机开关电源初级端
由于嵌入了启动稳压器,待机开关稳压器IC100能够在主电源电压范围内短时间启动(90Vac电压时,启动时间短于20ms)。此IC采用磁滞模式工作,内部限制最大恒定初级电流,提供稳压功能,并以可变周期调节转换的能量。为了在待机模式下提极低输出能耗,该控制器采用极低频率工作,使每个周期保持同样的最大电流,大幅减小开关损耗,从而为低能耗/ECO模式提供高能效(在90Vac电压下,空载时的71Hz跳周期模式频率上升至322Hz,从而提供8mA/40mW的输出)。
待机开关电源次级端
该电源设计提供单5V待机电源,在导通模式下具有最高1.5A电流。TLV431(即分流稳压器IC101)用于稳压,降低ECO模式的电流消耗(因为极化需要更低的电流),并为5V电源提供更大的电压裕量。
功能型关闭开关
该开关可以比总电源开关小很多,仅要求10V电压和2A的直流电流。开关被连接在次级端,不需要与电视机壳的金属部件有任何隔离,且在电压低于10V时不存在任何着火风险。
整个方案满足了安全性要求,不允许电视机在开关没有动作的前提下就切换至导通/工作模式,并在任何安全测试(短路或任何电器部件开路)中都能确保主电源端的能耗低于15W。
在没有输出负载时待机电源仍将保持工作,采用230Vac供电时,主电源端的能耗小于25mW。该方案采用更低成本实现了更高的性能,并且避免了可能的安全问题,为电源总开关提供了极佳的备选方案。
图3 待机开关电源次级端电路图
待机/导通控制及过压保护(OVP)
源自电视机微处理器的“待机”控制将控制电源,使系统能够进入导通/工作模式,或迫使其处于待机模式。由于“待机”控制高达5V的电压,信号晶体管驱动继电器利用主电源电压为PFC供电,同时驱动光耦合器,以待机电源辅助电压VCC1为所有初级控制器/IC供电。
当电视进入待机模式时,继电器和光耦合器都将由待机控制线路变为低电平而关闭。
次级5V待机输出对地短路
在输出对地短路的情况下,IC中的电流将保持为相同的峰值,但由于不能完成能量的传递,系统将采用连续导电模式工作,变压器、IC和二极管中的均方根(RMS)电流要高得多。
由于关闭了稳压功能,驱动稳压引脚的控制器就没有反馈。而由于没有反馈控制,IC将停止工作,直到Vcc电压降到足够低以实现重启。电源将以低频(约7kHz)升压或跳周期模式工作,关闭时间占70%,从而避免出现任何过温或安全问题。
总体能耗及能效表现
• 关闭模式/空载时,输入功率低于25mW;
• 5V待机时,输入功率低于90mW,输出功率为40mW;
• 输入电压为90Vac时,在待机模式下5V待机端的电流消耗最大为500mA ;
• 输入电压为230Vac时,在待机模式下5V待机端子的电流消耗最大为1.5A ;
• 导通模式下,以源自PFC的400Vdc供电时,电流消耗最大为1.5A。
图4 安森美半导体最新电视电源GreenPoint参考设计中的ECO待机电源
结论
针对电视应用,现在可以采用能耗低于90mW、提供完整待机功能及符合所有规范要求的ECO待机模式。尽管这种模式要求专用额外的待机开关电源,但它无需复杂设计就具备大功率的转换器功能,能够提供很高的待机模式性能(对能效和安全性至关重要的额外开关)。尤为重要的是,这种方案由于具备极佳的“空载”性能,能以经济的“关闭”模式进一步降低能耗,还有助于提升可靠性,避免传统高压总电源开关方案附带的安全风险。