Edward Ong, Power Integrations
New Electronics
Существенная часть потребляемой в мире энергии приходится на устройства, находящиеся в режиме ожидания, что вынуждает ужесточать требования соответствующих стандартов. К примеру, директива European Commission's Energy-related Products, допускавшая потребление 0.5 Вт устройствами без нагрузки, произведенными в 2010 году, была ужесточена в 2011 году – этот параметр был снижен до 300 мВт для сетевых адаптеров с выходной мощностью до 51 Вт.
В период, когда изначально разрабатывались стандарты энергопотребления, ставились цели сопоставимые с лучшими технологическими достижениями того времени. Однако совершенствование технологии микросхем для импульсных источников питания позволило в последние годы сократить потребление мощности в дежурном режиме до уровней намного более низких, чем предписывали стандарты.
Нулевая мощность
Стандарт IEC62301 определяет понятие «нулевое потребление в дежурном режиме», как рассеиваемую мощность менее 5 мВт. Достижение нулевой мощности потребления в дежурном режиме, таким образом, становится реальной и решаемой задачей. Для этого потребуется оптимизация каждого узла источника питания, которая позволит сэкономить несколько милливатт на каждом этапе. В этой связи необходимо, прежде всего, оценить мощность, рассеиваемую источником питания при очень малой нагрузке и в отсутствии нагрузки.
Понятия «малая нагрузка» или «дежурный режим» применимы к источнику питания, если он активен и обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Понятие «без нагрузки», как правило, относится к сетевым адаптерам или зарядным устройствам, включенным в сеть при полностью отключенной нагрузке. Проблемы, связанные с каждым из этих условий, неодинаковы.
Целью разработки источника питания мощностью 65 Вт, схема которого изображена на Рисунке 1, было создание очень компактного адаптера с высоким КПД для питания ноутбука. Схема должна содержать минимум компонентов, превосходно реагировать на изменение нагрузки и отключаться при перенапряжении по входу. Для повышения надежности рабочие режимы MOSFET ключей не должны превышать 80% предельно допустимых значений. Разработанное устройство обеспечивает выходное напряжение 19 В при токе 3.42 А, а его КПД превышает 86%. При отсутствии нагрузки источник потребляет от сети 230 В мощность менее 90 мВт.
 |
|
| Рисунок 1. | Принципиальная схема оптимизированного импульсного источника питания с выходной мощностью 65 Вт. |
В адаптере использован контроллер с интегрированным силовым ключом семейства TOPSwitch-JX (U1) производства компании Power Integrations. Все приборы этого семейства, даже в обычном режиме работы, могут поддерживать практически постоянный КПД в широком диапазоне нагрузок. Однако, когда целью является снижение мощности, потребляемой источником питания в отсутствие нагрузки ниже 100 мВт, должны быть задействованы все возможности для экономии энергии. Наибольший эффект в этом случае можно получить от входного фильтра и цепи контроля сети, хотя, безусловно, возможны и другие варианты.
В представленной на Рисунке 1 схеме источника питания резисторы R3 и R4 используются для согласования с сетью входа драйвера U1 и создания необходимого минимального тока смещения 25 мкА. При стандартном значении общего сопротивления этих резисторов равном 4 МОм рассеиваемая мощность составит 30 мВт при напряжении 230 В. Увеличение сопротивления до 10.2 МОм позволит снизить рассеиваемую мощность до 16 мВт, но тогда потребуется вспомогательный резистор для обеспечения дополнительного тока смещения и сохранения порога срабатывания защиты от перенапряжения.
Резисторы R7, R8 и R9 снижают порог ограничения внешнего тока контроллера U1 при увеличении входного напряжения. Это позволяет источнику питания при высоком входном напряжении ограничивать выходную мощность до уровня менее 100 В•А, в то же время, обеспечивая номинальную выходную мощность при низком входном напряжении, а также поддерживает мощность в нагрузке практически неизменной при изменении напряжения сети.
Снабберная цепь ограничивает выбросы напряжения на стоке, обусловленные индуктивностью рассеяния, до уровня меньшего напряжения пробоя сток-исток встроенного в контроллер TOPSwitch-JX MOSFET. При работе на малую нагрузку или на холостом ходу энергия индуктивности рассеяния и рабочая частота ниже. В стандартной конфигурации снабберной цепи, состоящей из резистора, конденсатора и диода, конденсатор C4 разряжается и заряжается в каждом цикле, расходуя при этом значительное количество энергии. Проблема решается добавлением в эту цепь стабилитрона VR2, ограничивающего степень разряда.
Для снижения потерь и увеличения КПД были выбраны диоды Шоттки с большим допустимым током и малым прямым падением напряжения. Снабберная цепь (C12, R15) демпфирует «звон» на диодах, уменьшая уровень высокочастотных наводимых и излучаемых помех.
Для снижения рассеиваемой мощности в цепи обратной связи вторичной стороны была выбрана оптопара Q2 с транзистором Дарлингтона на выходе, благодаря большому усилению которого входной ток оптопары уменьшен до 1 мА.
Устранение потерь энергии
Фильтр входного переменного напряжения образован синфазными дросселями L3 и L4, фильтрующим дифференциальную помеху конденсатором C1, удовлетворяющим категориям X стандарта IEC 314-14 (X-конденсатор), а также резисторами R1 и R2, предназначенными для разряда конденсатора C1. Эти резисторы – нежелательные элементы в схеме, так как при напряжении сети 230 В на них рассеивается мощность 12 мВт.
С появлением семейства приборов CAPZero, представленного Power Integrations после разработки микросхем управления питанием, эти резисторы перестали быть источником потерь. В каждой микросхеме CAPZero интегрированы детектор отключения сети и два встречно включенных MOSFET (Рисунок 2). При наличии входного переменного напряжения CAPZero блокирует ток через разрядные резисторы, снижая мощность, потребляемую этой цепью, практически до нуля. При снятии входного напряжения CAPZero включается и разряжает X-конденсатор фильтра.
 |
|
| Рисунок 2. | Типовая схема включения микросхемы CAPZero. |
Контроль входного напряжения
В целях минимизации потерь в схеме источника питания на Рисунке 1 сопротивление резисторов в цепи контроля входного напряжения было увеличено настолько, насколько это возможно. Тем не менее, эти резисторы потребляют от сети значительную энергию, независимо от режима работы микросхемы U1. В мощных устройствах может быть несколько путей протекания тока между шинами высокого напряжения, например, линии прямой или обратной связи, идущие к повышающим преобразователям в системах с корректором коэффициента мощности. Устранить потери в этих цепях можно с помощью микросхем семейства SENZero.
В состав каждой микросхемы входят два или три мощных 650-вольтовых MOSFET с драйверами и цепями защиты. Специальная схема обеспечивает управление затворами транзисторов в соответствии с напряжением на выводе Vcc. В типичном применении MOSFET ключи соединяют последовательно с резисторами, включенными между шиной высокого постоянного напряжения и «землей» или контроллером (Рисунок 3). Типовое сопротивление во включенном состоянии при комнатной температуре составляет 500 Ом – очень незначительная доля от высокого сопротивления резисторов, обычно используемых в таких цепях.
 |
|
| Рисунок 3. | Типовая схема включения микросхемы SENZero. |
При переходе системы в дежурный режим напряжение питания Vcc падает, и драйверы затворов отключаются от MOSFET. Вследствие этого MOSFET переключаются в высокоимпедансное состояние и разрывают путь тока от шины высокого постоянного напряжения. В результате потери снижаются до уровня менее 500 мкВт на канал.
Рисунок 4 иллюстрирует пример использования технологии ультранизкого потребления в предметах домашнего обихода – в нашем случае, в стиральной машине.
 |
|
| Рисунок 4. | Реализация принципов ультранизкого энергопотребления в дежурном режиме на примере стиральной машины. |
Система переводится в дежурный режим управляющим импульсом от схемы управления. При этом микросхема LinkZero-AX (Рисунок 5) останавливает свой тактовый генератор и переходит в режим покоя. Устройство CAPZero изолирует резистор разряда X-конденсатора. SENZero изолирует от высоковольтной шины остающиеся подключенными к сети резисторы контроля входного напряжения и детектора перехода через ноль. При выходе на рабочий режим LinkZero-AX включает синхронизацию, и на ее выходе появляется напряжение питания Vcc, открывающее два внутренних MOSFET ключа микросхемы SENZero. В результате цепи резисторов контроля входного напряжения и детектора перехода через ноль соединяются со схемой управления. В дежурном режиме система потребляет менее 5 мВт.
 |
|
| Рисунок 5. | Типовая схема включения микросхемы LinkZero-AX. |
Таким образом, получить 0 Вт в режиме ожидания стало технически возможным, и OEM производители по всему миру могут принять новый стандарт.
