摘要

　　所有便攜式電子設(shè)備，例如手機(jī)、收音機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及手提電腦等都需要依賴電池來(lái)維持電力，為了維持這些電子設(shè)備持續(xù)工作，必須反復(fù)地經(jīng)由市電通過(guò)充電器來(lái)對(duì)電量耗盡的電池進(jìn)行充電。而這樣大家習(xí)以為常的電池充電過(guò)程卻在無(wú)形中帶來(lái)能源耗損，所以需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)來(lái)降低無(wú)謂的能量消耗。特別是在待機(jī)的時(shí)候可以達(dá)到節(jié)能法規(guī)的要求，例如美國(guó)加州能源委員會(huì)（California Energy Commission， CEC）節(jié)能規(guī)范，以及能源之星（Energy Star）標(biāo)識(shí)計(jì)劃等，因此本篇文章將會(huì)探討一個(gè)新型極低待機(jī)功耗的電源控制IC。

　　飛兆半導(dǎo)體新推出的FAN302HL驅(qū)動(dòng)控制IC，在手機(jī)充電器的應(yīng)用中可達(dá)到低于10mW的待機(jī)能源消耗，并且結(jié)合多項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)來(lái)提升低功率反激式轉(zhuǎn)換器的性能，如：內(nèi)建高壓激活電路、待機(jī)時(shí)的低工作電壓與工作電流，采用次級(jí)端反饋控制方法調(diào)節(jié)固定輸出電壓，初級(jí)端反饋控制方法調(diào)節(jié)固定輸出電流。FAN302HL將會(huì)成為在待機(jī)時(shí)的極低功耗電源控制IC設(shè)計(jì)最好選擇。

　　簡(jiǎn)介

　　油價(jià)飛漲，原物料價(jià)格屢創(chuàng)新高，全球能源管里瀕臨崩潰邊緣，“節(jié)約能源”再次成為最熱門的議題。而在環(huán)保的觀念持續(xù)強(qiáng)化下，現(xiàn)代人對(duì)于日常節(jié)約能源的觀念越來(lái)越健全，但節(jié)約能源除了把不用的電器關(guān)閉或是采取定時(shí)開(kāi)關(guān)方式節(jié)約能源外，其實(shí)這些電子裝置本身因電源電路設(shè)計(jì)的限制。平日開(kāi)啟運(yùn)作及待機(jī)的電源功耗日益增多，使得能源的應(yīng)用效率低下，有效的電源管理，才能讓“節(jié)能”的效益更加立竿見(jiàn)影。電源管理方面最重要的趨勢(shì)，就是使待機(jī)功耗降至最低。一般可能認(rèn)為，與工作時(shí)電源的耗電量比起來(lái)，電子設(shè)備待機(jī)時(shí)所消耗的電量是微乎其微。其實(shí)這與事實(shí)相去甚遠(yuǎn)，所以美國(guó)加州能源委員會(huì)（California Energy Commission， CEC）節(jié)能規(guī)范，以及能源之星（Energy Star）標(biāo)識(shí)計(jì)劃等，在所有電源的規(guī)劃當(dāng)中，對(duì)于“待機(jī)功耗”的規(guī)范極為重視。因此在國(guó)際能源總署（IEA）的推動(dòng)和倡導(dǎo)下提出“1瓦計(jì)劃”的能源規(guī)劃，目標(biāo)是到2010時(shí)將大部份電器產(chǎn)品的待機(jī)功耗降到1瓦，而美國(guó)也在2007年12月頒布了“2007美國(guó)能源獨(dú)立與安全法案”，為消費(fèi)類電器設(shè)備制定了第一個(gè)強(qiáng)制性的聯(lián)邦能源標(biāo)準(zhǔn)。

　　其中令人注目的是在2008年11月世界主要手機(jī)供貨商公布的新手機(jī)充電器的待機(jī)規(guī)范，明確定義出不同的待機(jī)功耗有不同的標(biāo)識(shí)星級(jí)，如圖1所示為新手機(jī)充電器的待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)，其中最高五顆星的待機(jī)功耗必須降低至30mW以下，因此，要如何使電源轉(zhuǎn)換器達(dá)到更低的待機(jī)功耗，將會(huì)是電源設(shè)計(jì)工程師未來(lái)所需要迎接的挑戰(zhàn)。

　　FAN302HL待機(jī)功耗來(lái)源分析與低待機(jī)功耗解決方案

　　如何使FAN302HL的待機(jī)功耗降低到30mW以下，甚至達(dá)到更低10mW，以下會(huì)有詳細(xì)的分析介紹。首先可以先以基本常用的反激式轉(zhuǎn)換器的電源架構(gòu)來(lái)做分析，如圖2所示。

　　圖2：典型的反激式轉(zhuǎn)換器電路

　　圖3：待機(jī)功耗各部份的分析示意圖

　　從圖3可看出待機(jī)功耗的分布，對(duì)一個(gè)反激式轉(zhuǎn)換器而言，主要的待機(jī)功耗包括了開(kāi)關(guān)功耗（switching loss）和傳導(dǎo)功耗（conduction loss）以及PWM控制電路所造成的功耗。表1、表2、表3、表4分別對(duì)這些主要功耗，列出估算公式與改善對(duì)策。

　　1、控制電路損失（15%）：由表1與等式（1）中可知，在待機(jī)時(shí)為了使PWM IC維持正常的工作，在輔助線路設(shè)計(jì)上必須確認(rèn)能夠提供足夠的電壓供應(yīng)（VDD），由于FAN302HL的最低工作電壓（VDD_OFF）為5V，所以通常設(shè)計(jì)在7V附近最為理想。而在PWM IC工作電流方面，F(xiàn)AN302HL擁有多段的電流工作控制，如圖4所示，當(dāng)工作在脈沖模式（Burst mode）時(shí)，會(huì)以極低的工作電流，來(lái)降低FAN302HL的待機(jī)功耗。

　　2、初級(jí)端組件損失：由表2中可知，初級(jí)端組件損失主要是由激活電阻損失、緩沖器損失與功率晶體管（Power MOSFET） 損失的總和。

　　激活電阻損失（1%）：為了使PWM IC在正常工作前能獲得電源電壓，通常會(huì)設(shè)置有激活電路，如圖5，所示，但PWM IC從輔助繞組獲得電源供應(yīng)之后，激活電路便失去作用，但此時(shí)激活電阻上的跨壓仍然會(huì)持續(xù)造成功耗，等式（2）所示，F(xiàn)AN302HL內(nèi)建高壓激活電路（HV）代替?zhèn)鹘y(tǒng)激活電路的設(shè)置，可減少激活電阻造成的功耗并可加速開(kāi)機(jī)時(shí)間與高壓的激活能力。

　　緩沖器損失（13%）：當(dāng)功率晶體管關(guān)閉的同時(shí)，會(huì)在漏極/源極之間的電壓（VDS）上產(chǎn)生較高的尖峰電壓，如圖6所示，這是由于變壓器上的泄漏電感所導(dǎo)致，因此避免泄漏電感的產(chǎn)生與峰值電流的增加，就能有效地改善消耗損失，如等式（3）

　　功率晶體管損失（29%）：在功率晶體管損失的部份中，主要包含了開(kāi)關(guān)與傳導(dǎo)損失，如等式（4）（5）所示，而在手機(jī)充電器的應(yīng)用中又以開(kāi)關(guān)損失占大多數(shù)，因此除了挑選合適的功率晶體管外，經(jīng)由脈沖模式（Burst mode）技術(shù)，減少單位時(shí)間內(nèi)功率晶體管的開(kāi)關(guān)次數(shù)來(lái)降低開(kāi)關(guān)損失并維持輸出電壓的穩(wěn)定，可有效改善此部份的功耗，圖7為Power MOSFET相關(guān)參數(shù)。

　　3、變壓器鐵芯損失（2%）：變壓器傳輸電能時(shí)的消耗主要分為銅損和鐵損，銅損是初級(jí)端電流流經(jīng)變壓器線圈阻抗上造成的耗損，但是在空載待機(jī)的情況下流經(jīng)變壓器線圈上的電流很小，因此在此條件下銅損的影響可被忽略。表5與等式（6）所列為鐵損的功耗公式，從式中可知降低開(kāi)關(guān)頻率與磁通密度可以改善鐵芯損失，而調(diào)整磁通密度時(shí)，勢(shì)必會(huì)提高匝數(shù)比，而線圈匝數(shù)增加也會(huì)導(dǎo)致銅損上升，如等式（7）所示，因此需要合理的設(shè)計(jì)磁芯的磁通密度和工作頻率來(lái)達(dá)到功耗的改善

　　4、次級(jí)端組件損失：由表4中可知，次級(jí)端組件損失主要是由輸出二極管、分流調(diào)節(jié)電阻與光耦合器損失的總合。

　　輸出二極管損失（2%）：圖8所示為輸出二極管功耗路徑，當(dāng)電流在流過(guò)二極管為正向時(shí)，會(huì)與PN兩極體上所產(chǎn)生的正向?qū)妷簛?lái)造成損失，如等式（8）所示，因此挑選較低正向?qū)妷旱妮敵龆O管是必備條件之一。

　　分流調(diào)節(jié)電阻損失（2%）：由于在分流調(diào)節(jié)器必需經(jīng)由分流調(diào)節(jié)電阻來(lái)導(dǎo)通動(dòng)作并與參考電位來(lái)做比較，以達(dá)到恒定輸出電壓，但此調(diào)節(jié)電阻仍會(huì)占據(jù)少量功耗，如等式（9）所式，因此提高調(diào)節(jié)電阻可以有效改善功耗，但同時(shí)也會(huì)影響到反饋穩(wěn)定度，因此在這部份的取舍也是要仔細(xì)考慮，圖9為功耗路徑。

　　光耦合器損失（35%）：光耦合器用來(lái)提供次級(jí)端到初級(jí)端間的訊號(hào)傳遞并免于噪聲干擾，同時(shí)也提供了穩(wěn)壓控制的訊號(hào)路徑，經(jīng)由電流限制電阻器（Rbias）來(lái)提供光耦合器正常工作電流，以達(dá)到穩(wěn)定的工作，但是所流經(jīng)的電流限制電阻器也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定的功耗產(chǎn)生，如等式（10）所式，因此這部份的取舍也需要好好考慮，路徑圖如圖9所示。

　　由上述的論述可以很明顯的看出，無(wú)論是開(kāi)關(guān)功耗（switching loss）和傳導(dǎo)功耗（conduction loss）或是由PWM控制電路所造成的功耗，大部份都與開(kāi)關(guān)頻率有很密切的關(guān)系，因此需要更有效的控制待機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的功耗。FAN302HL采用脈沖模式（Burst mode）的技術(shù)，來(lái)達(dá)到省電的效果。FAN302HL所使用的方式為依據(jù)FB引腳的電壓變化來(lái)判斷脈沖模式的導(dǎo)通周期，達(dá)到在無(wú)載時(shí)的極低待機(jī)功耗，從圖10中可知FB引腳除了PWM任務(wù)調(diào)節(jié)外，也負(fù)責(zé)脈沖模式任務(wù)的調(diào)節(jié)。當(dāng)IC工作在脈沖模式時(shí)FB引腳會(huì)判斷該電壓準(zhǔn)位所發(fā)生的動(dòng)作，當(dāng)VFB低于VFB_L時(shí)，會(huì)去強(qiáng)制關(guān)掉PWM輸出，使之無(wú)能量供給，增加脈沖周期，此時(shí)輸出電壓會(huì)有些下降，因而VFB很快提高，所以當(dāng)VFB高于VFB_H時(shí)會(huì)在強(qiáng)制導(dǎo)通PWM，以供給輸出能量，借用如此交替的運(yùn)作來(lái)達(dá)到合適的脈沖模式調(diào)配。從圖11中可看到脈沖模式時(shí)的動(dòng)作原理與脈沖模式時(shí)的相關(guān)參數(shù)。

　　FAN302HL無(wú)載待機(jī)功耗計(jì)算實(shí)例

　　使用飛兆半導(dǎo)體所研發(fā)出的節(jié)能PWM IC；FAN302HL，放置于測(cè)試板上，如圖12所示（其額定輸出電壓與電流規(guī)格為5V/1A），測(cè)量條件為；輸入264V交流電壓并工作在無(wú)載，并由表5所計(jì)算出功耗值，待機(jī)功耗約9.07mW。此結(jié)果與系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差不多，圖13為系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果圖。

　　結(jié)論

　　在電源領(lǐng)域，已越有越來(lái)越多對(duì)于極低待機(jī)功耗的產(chǎn)品需求，因此本文主要針對(duì)飛兆半導(dǎo)體新推出的FAN302HL驅(qū)動(dòng)控制IC來(lái)探討降低電源整體待機(jī)功耗的方法。以數(shù)學(xué)表示式計(jì)算出主要的開(kāi)關(guān)和控制電路損失，并介紹用多項(xiàng)飛兆半導(dǎo)體創(chuàng)新的專利技術(shù)去實(shí)現(xiàn)更低的整體待機(jī)功耗。最后在額定輸出電壓/電流規(guī)格為5V/1A，264V交流輸入且輸出無(wú)載時(shí)，使待機(jī)功耗可以達(dá)到小于10mW的結(jié)果。此外FAN302HL驅(qū)動(dòng)IC除了可以實(shí)現(xiàn)極佳的節(jié)能控制外，也可實(shí)現(xiàn)高頻工作（85KHz）與高效率工作，絕對(duì)可以滿足手機(jī)充電器的應(yīng)用，達(dá)到“輕薄短小”的目標(biāo)。