超低電流隔離型開關(guān)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　對于連接在基準(zhǔn)輸出的分壓電阻R131和R137，為了減小電流須選擇大阻值電阻。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮補(bǔ)償輸入電流和輸入電容造成的延遲(這個(gè)問題可以通過電容分壓解決)。由于輸出電容(C47)很大，需要選擇低ESR電容(鉭、OsCon、有機(jī)鋁電容等)。另外還要求電容具有極低的漏電流，應(yīng)為漏電流(特別是在高溫情況下)會產(chǎn)生很大的損耗(對于一個(gè)16V Kemet T495 100μF電容，IL在25°C 時(shí)等于16μA，85°C時(shí)會達(dá)到160μA)。

　　控制電路

　　最常見的電源拓?fù)涫请娏髂Ｊ矫}寬調(diào)制(PWM)，通過改變脈沖寬度控制電感的充電電流。負(fù)載較重時(shí)，通過加大脈沖寬度使電感儲存更多能量(圖2)。負(fù)載較輕時(shí)，通過減小脈沖寬度降低電感儲能。對于低電流負(fù)載，電源工作在非連續(xù)模式，主要電流損耗源于電源本身。

圖2. 脈寬調(diào)制器(PWM)控制產(chǎn)生控制電壓(中線)和電感電流(底線)，以響應(yīng)負(fù)載電流的變化(頂部)。

　　PWM最大的好處是固定頻率，簡化了EMI控制的電路設(shè)計(jì)，并可提高重載下的效率。其主要缺陷是在輕載或空載條件下相對電流損耗較大，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器內(nèi)部振蕩器工作在固定頻率(例如，UC3845在輕載下電流損耗為：Icc = 17mA)。圖3為UC3845主控制器電壓、電流反饋網(wǎng)絡(luò)的典型電流損耗。

圖3. PWM控制器(U41)利用光耦隔離產(chǎn)生變壓器次級到原級的反饋。

　　反饋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

　　電壓反饋由流過光電晶體管(光耦U45內(nèi)部)到R135的電流提供，R135需要盡可能大，以降低功耗，但還必須保持光耦正常工作的電阻值。

　　電流反饋通過R134的壓降產(chǎn)生，為降低功耗，在該電壓和基準(zhǔn)(VREF = 5V，第8引腳)之間采用R125、R133分壓，在ISENSE (第3引腳)端得到1V電壓。分壓電阻必須有足夠大的阻值，以降低功耗；但還必須注意電阻與C53形成的RC濾波器不會影響電流信號。消耗在R126和C46振蕩器元件的功耗是不可避免的，因?yàn)樾枰冀K保持輸出電壓。

　　更新方案進(jìn)一步降低功耗

　　對于基于UC38C41或MAX5021 PWM控制器和TLV431C或MAX8515A精密基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源來說，通過幾種渠道可以進(jìn)一步降低功耗。可以選擇合適的元件降低功耗。

　　誤差比較器

　　通常選擇TL431提供精密基準(zhǔn)，但它不適合本設(shè)計(jì)，因?yàn)樗a(chǎn)生的電壓(VA-Kmin = VREF = 2.5V，加上U45 LED和R124的壓差)過于接近3.6V的輸出電壓。一種替代選擇是使用MAX8515并聯(lián)基準(zhǔn)，其基準(zhǔn)電壓僅為0.6V，在-40oC至+85°C溫度范圍內(nèi)能夠保持1%的精度。對于低壓輸出應(yīng)用，該款I(lǐng)C是最理想的選擇，因?yàn)樗鼪]有上述高基準(zhǔn)電壓的限制(基準(zhǔn)電壓達(dá)到2.5V)。

　　該應(yīng)用實(shí)例的另一選擇是TLV431C并聯(lián)型基準(zhǔn)，可以從多家供應(yīng)商獲得，能夠滿足基準(zhǔn)要求：VREF = 1.24V，0oC至+70°C范圍可保持1%精度。分壓網(wǎng)絡(luò)電流固定在24μA，保證基準(zhǔn)電流(溫漂0.5μA)對輸出電壓沒有明顯影響。另外，須保證輸入電容產(chǎn)生的信號延遲不會影響電路的正常工作。

　　PWM控制器

　　傳統(tǒng)的UC3845（圖3）控制器電流損耗大約為17mA (VFB和VSENSE = 0V)，對于本應(yīng)用該電流過高，可以采用MAX5021代替。MAX5021的封裝為SOT23-6，在同類IC中尺寸最小。它還具有最低工作電流(1.2mA)，內(nèi)置260kHz振蕩器，0.6V的VISENSE，可以直接由光耦輸入，其很多特性均可滿足該類應(yīng)用的要求。其不足之處是欠壓保護(hù)門限10Voff/24Von不適合12V輸入的應(yīng)用。另外，它具有極低的待機(jī)電流，非常適合高輸入電壓的場合。

　　最后可以考慮的一款I(lǐng)C是UCC38C41，其欠壓保護(hù)門限6.6Voff/7.0Von，典型電流損耗ICC = 2.3mA。電流檢測電路消耗電流100uA，光耦消耗電流530uA。為了維持光電晶體管電流，LED需要至少1mA電流。所得到的電源尺寸大約50x30mm，包括兩個(gè)光耦，一個(gè)用于控制環(huán)路反饋，另一個(gè)用于檢測輸入端的電池電壓。這個(gè)電源性能如下：

功率 = 3.6W；
輸入電壓范圍：10V至15V；
標(biāo)稱輸入電壓Vin = 12V；
隔離(需要電流隔離)；
降壓型反激拓?fù)洌?
電壓和電流控制環(huán)路；
PWM控制模式；
開關(guān)頻率是250kHz；
最大輸出電流是1A；
輸出電壓是3.6V；
空載電流5.7mA。
　　測試結(jié)果