開關電源系統-待機功耗測試&分析

現在的電子產品＆設備，我們應用開關電源方式除了效率以外，空載或者待機功耗也變得越來越重要了！這不僅是因為各種各樣的能效標準的執行，也符合實際應用的需求；特別對於一些電子電器甚至大部分的用電設備都需要長時間工作在待機狀態。

我們用AC／DC的開關電源系統，不同的產品應用要求不一樣，有500mW、300mW、再到100mW，後面還會要求充電器達到10mW以下功耗要求！我用FLY為例來進行理論和實際的測試分析

1．分析及測試原理圖

輸入部分損耗

1．工作時脈衝電流會造成的共模電感的內阻損耗加大適當設計共模電感，包括線徑和匝數對待機功耗也會有幫助

2．輸入濾波器X電容放電電阻上的損耗；在符合安規的前提下加大放電電阻的阻值

3．熱敏電阻NTC上的損耗；在符合其他指標的前提下減小熱敏電阻的阻值

這裡最大的損耗就來自於X電容放電的電阻。大部分的安規標準都要求1s內把X電容的電壓放到安全電壓以下。這樣容值越大，放電的電阻就越小，損耗也就越大。舉個例子，0．47uF的電容並聯3．3M的電阻，230Vac條件下的空載損耗就有～18mW。

在實際應用中對於輸入濾波器主要來解決產品EMI－傳導的問題；開關電源系統越大的功率輸出等級，需要採用的濾波器的階數會大於1階；特別是越靠近150KHZ的低頻段EMI幹擾採用X電容差模濾波是最有效的。

注意：更大的X電容會影響我們系統待機時的待機功耗；我提供測試數據參考：

A．輸入濾波器X電容總共使用3 pcs／0．47uF在220VAC無負載測試數據

B．輸入濾波器X電容總共使用4 pcs／0．47uF在220VAC無負載測試數據

C．輸入濾波器X電容共使用4 pcs／0．47uF＋0．68uF在220VAC無負載測試數據

結論：從上面的測試數據先優化輸入部分的損耗－合理設計輸入濾波器也會有挑戰；當然開關電源－IC的功能＆控制技術對待機功耗的優化同時也會是挑戰！

4．整流橋的後面在母線上會有幾個高壓器件，需要特別注意漏電流的大小！300V的母線每10uA就產生3mW的損耗。

半導體器件一般來說都還好，比如整流橋、MOSFET，關斷時的漏電基本都在1uA以下。高溫情況下會大一些；但在空載損耗基本也只看常溫條件，沒有負載電路本身也沒熱量產生。電解電容的漏電在有些情況下就不能忽略了，電容越大漏電流越強，基本上是和CV成正比關係的。而且電容的質量參差不齊，質量差的電容漏電流要大好幾倍。可以測試一下如果達到10uA這個數量級了使用的時候要注意。

5．對於開關電源IC－FLY我們需要做低待機功耗功能時；至少要先一個有內置高壓啟動電流源的控制機理！如果沒有的話，就需要外圍電路進行實施。一些沒有高壓引腳的晶片也提供一個控制引腳來連接外置的高壓開關管；如果是這樣的方式；系統的BOM會複雜！當然還是建議使用者優先選擇有低待機功能的IC控制器 實施控制方便有更好的可靠性！

本測試原理的控制方式如下：

晶片本身的功耗是Icc＊Vcc／？。Icc是工作電流，Vcc是工作電壓，？是轉換效率。因為晶片穩定工作的工作電壓一般都來自輔助繞組，所以？取決於開關頻率和功率電路的設計，後面也會陸續提到影響轉換效率的一些因素。

從目前我了解的情況分析，AC／DC類的功能電源晶片，只要功能不是特別複雜的，Icc都應該能做到uA這個數量級。只有一些很複雜的晶片，比如PFC＋LLC combo這種，或是大功率電源中所採用的數字晶片耗電才會在mA級別。特別大功率的電源有時會採樣輔助電源的方式來解決待機功耗設計問題！

Vcc則是取決於輔助繞組的設計。為了是晶片功耗最小化，設計的時候當然應採用儘量低的供電電壓。只是要注意輔助繞組提供的電源一般會隨著負載減輕而降低。必須保證Vcc在空載條件下也能保持在最低工作電壓以上。

晶片的控制方式可以說是決定待機功耗最重要的一環。

輕載或空載狀態下，開關損耗在轉換效率中佔主導地位。

因此為了降低待機功耗，大部分電源晶片都採取輕載降頻的控制方式。FLY架構現在比較流行的一種複合控制模式：重載時採用PWM，隨著負載減輕頻率下降，在接近空載的區域採用Burst的工作模式進一步降低開關頻率（如上圖示）！

這種控制方式在實際應用中有一個矛盾需要考慮。理論上來說保持最大的ipk可以在空載狀態下獲得最低的開關頻率（1／2 ＊Lm＊ipk＾2＊fs）。但開關頻率在20kHz以下就會有噪音的問題，從這個角度來看就需要ipk越小越好。因此在實際應用的時候就需要找到最佳化的設計了。

實際上Burst的方式也有一些細節是值得注意的。

每隔100ms連出10個開關和每10ms出一個開關，看起來平均頻率是一樣的，但轉換效率會不會有差別呢？注意是會有一些區別的。請關注下面的測試Data！！

注意：FLY電源中，有RCD鉗位電路中的能量每次Burst都是充滿再放完的，這樣的話連續出的開關數多一點會比較好。

LLC的情況會不一樣，因為LLC的Burst基本前一兩個周期把能量已經都輸出來了，後面再開關基本上只剩勵磁電流了，換句話說後面出的開關都是在做無用功，除了產生開關損耗外沒別的了。這樣就是連出的開關數少一點會比較好！

6．變壓器的損耗

由於待機時有效工作頻率很低，並且一般限流點很小，磁通變化小，磁芯損耗很小，對待機影響不大，但繞組損耗是不可忽略的。

變壓器繞組引起的損耗；

繞組的層與層之間的分布電容的充放電損耗（分布電容在開關MOS管關斷時充電，在開關MOS管開通時放電引起的損耗。）

當測試mos管電流波形時，剛開啟的時候有個電流尖峰主要由變壓器分布電容引起。改善方法：在繞組層與層之間加絕緣膠帶，來減少層間分布電容。

7．開關管MOSFET上的損耗

mos損耗包括：導通損耗，開關損耗，驅動損耗。其中在待機狀態下最大的損耗就是開關損耗。

改善辦法：降低開關頻率、使用變頻晶片甚至跳頻晶片（在空載或很輕負載的情況下晶片進入間歇式振蕩）

8．整流管上的吸收損耗

輸出整流管上的結電容與整流管的吸收電容在開關狀態下引起的尖峰電流反射到原邊迴路上，引起的開關損耗。另外還有吸收電路上的電阻充放電引起的損耗。

改善方法：在其他指標允許的前提下儘量降低吸收電容的容值，降低吸收電阻的阻值。

當然還有整流管上的開關損耗、導通損耗和反向恢復損耗，這應該在允許的情況下儘量選擇導通壓降低和反向恢復時間短的二極體。

9．輸出反饋電路的損耗

如上圖採用TL431＋光耦的控制方式如產品有專門的待機模式（待機功能）選擇更合適的待機輸出電壓，可以使系統的待機功耗進行最佳化設計！

注意：原邊反饋和副邊反饋的晶片在待機功耗上的表現也是有所區別的；

原邊反饋的好處是省了光耦和TL431，但可以說的優勢就是降低了空載損耗，因為光耦和TL431也都會讓系統有損耗！

上面是一個典型的副邊反饋的配置，空載狀態下典型的偏置電流都在500uA－1mA之間，那麼假設副邊和輔助繞組的供電都是12V的話，這裡就產生了10－20mW的損耗！記住還要考慮轉換效率！如果降低到如上圖的9V輸出的話，就會再降低點功耗；目前是我們通常的設計方法！

如果說減小偏置電流來降低這部分損耗；注意：滿載時的偏置電流比空載時還要小很多。這樣做可能會影響整個的環路的穩定性能！

10．RCD吸收電路設計分析

RCD是比較常用的吸收電路，主要是吸收漏感的能量以限制開關管上的尖峰電壓。RCD如果做的太強的話會對效率有很明顯的影響，那自然也會影響輕載效率和待機功耗。

如果考慮到待機狀態下電源都是工作在極低頻率的Burst狀態下的話，實際上C的大小對待機功耗的影響比R要大得多，因為每次C都會充滿再放光的。這部分能量就像一個假負載掛在那裡 一樣，後面用測試Data來進行評估！

從這個角度出發有一種做法是把C徹底拿掉，用一個TVS來代替這樣就拿掉了這個假負載！

下面我再來對實際的應用產品進行測試數據給出參考Data！

說明調測待機功耗時＝與下列參數有關：系統功率接近75W設計！

A．VCC繞組空載的最低電壓，輔助繞組的限流電阻（繞組端）決定IC的空載電壓過低IC－HV會啟動影響待機功耗，過高負載電阻會消耗功耗，推薦10V－VDD；

B．注意TL431的補償參數的影響

C．PC817B／A： 考慮光耦的電流傳輸比問題

D．RCD吸收回路中；電容C＝2200PF常用，C略大會增大待機功耗（比如4700PF）

E．MOS管的限流功率電阻：取值要求90VAC輸入時 1．3倍的過載保護設計！

最後一項會決定待機的脈衝的間隔時間空載的間隔時間＞10mS（基本要求）

注意檢查待機功耗時；25KHZ的的脈衝數要小於5根 空載間隔時間＞10mS

2根脈衝就將待機調到極限！12V輸出帶10mA負載間隔時間＞5mS（基本要求）

以下進行數據實測：無負載＆極輕負載狀態

2．實際的數據測試參考（TL431及光耦設計電路標準化）保證可靠性前提！

A．RCD吸收電路C＝2200PF 電阻R＝100K／2W

CH1：VDD（IC） CH2：DRV（IC）CH3：CS（IC）  5根脈衝；間隔時間14．58Ms

B．RCD吸收電路C＝4700PF 電阻R＝100K／2W

CH1：VDD（IC） CH2：DRV（IC）CH3：CS（IC）  5根脈衝；間隔時間14．38Ms

C．RCD吸收電路C＝2200PF 電阻R＝100K／2W 12V／10mA

CH1：VDD（IC） CH2：DRV（IC）CH3：CS（IC）  5根脈衝；間隔時間5．568Ms

D．RCD吸收電路C＝4700PF 電阻R＝100K／2W 12V／10mA

CH1：VDD（IC） CH2：DRV（IC）CH3：CS（IC）  5根脈衝；間隔時間5．4720Ms

我通過簡單的實戰測試提供對FLY－開關電源系統的待機及輕載時的功耗進行測試，可以快速指導優化無負載及極輕負載的功耗分析思路！如果你想追求極限可以通過理論加實踐試試吧。

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杜佐兵

電磁兼容（EMC）線上＆線下高級講師

杜佐兵老師在電子行業從業近20年，是國家電工委員會高級註冊EMC工程師，武漢大學光電工程學院、光電子半導體雷射技術專家。目前專注於電子產品的電磁兼容設計、開關電源及LED背光碟機動設計。

2020年在電源網研討會再和大家一起進行課題交流！

以下（課題），歡迎邀約和分享！

任何的EMC及電子電路的可靠性設計疑難雜症；先分析再設計才是高性價比的設計！

實際應用中電子產品的EMC涉及面比較廣；我的系統理論及課程再對電子設計師遇到的實際問題 進行實戰分析！先分析再設計；實現性價比最優化原則！