降低充电器和适配器应用中的无负载总功耗

本文简要介绍如何利用ST的二次侧器件TSM家族降低充电器和电源适配器的无负载功耗，这个家族具有精确的电压和电流调节功能，而且在无负载条件下可以使整个系统在无负载条件下将总功耗降到近100mW。
　　TSM101x家族产品集成了一个电压基准器件和两个运算放大器，是高度集成的需要恒压（CV）和恒流（CC）模式的开关电源解决方案。电压基准器件和一个运算放大器的集成使之成为理想的电压控制器。另外一个运算放大器再与这个集成的电压基准器件和几个外部电阻器配合，可以起到一个限流器的功能。
　　这些产品用于要求恒压和输出限流的充电器以及适配器，可以用于电压参考精度在0.5%到1%之间的各类应用。
在一个典型的充电器和适配器系统内，不同的因素都会在无负载条件下提高总功耗。但是，从广度上说，总功耗可以分成二次侧产生的功耗(P_out)和一次侧产生的功耗(P_in)。
　　二次侧功耗
　　本文着重介绍如何降低二次侧功耗，所以，我们从思考开关电源应用二次侧的典型电路图开始介绍，见下图1。

　恒流-恒压标准器件是一个集成了两个运算放大器的单片集成电路。在这两个运算放大器中，一个是独立的器件，而另一个的非逆变输入与一个2.5V固定电压基准电路相连。ST的TSM103W是这种二次侧器件的一个典型应用。
　　恒流-恒压器件通常是并联电路，这意味着内部电流发生器需要一个外电源，以极化并将基准电压固定在2.5V (Vref = 2.5V)。

如果我们假定V_out连接一个没电的电池，我们将会看到图2的输出电压-电流特性曲线。
　　从图2中我们不难看出，负载采用逐渐充电方式，先提高电流，然后再提高电压，以便压降达到最小值。这种逐渐充电的方法确保电流得到限制，实现稳定的电流。此后，电压开始上升（同时电流保持恒定），直到恒定的电压值为止。
　　在一个典型的适配器应用中，最大输出电压20V（无负载条件下），最小输出电压5V（维持恒流的最小电压值）。
　　为了维持V_{out_min} = 5V, V_{cc_min} = 5V，给Vref加偏压所需的最小电流值1mA，这表示：
　　因此，为了维持V_{out_min} = 5V，我们必须将基准电阻固定在Rref = 2.5k健
既然我们固定了基准电阻Rref，我们就应该考虑V_out_max = 20V的无负载条件。根据下面的公式：
　　二次侧的总功耗通过下面的公式计算：P_out = V_out V_tot
　　其中I_tot = I_cc + I_ref + I_opto
　　而且，驱动一个光耦合器所需的电流I_opto 通常为1.5mA。
　　这说明对于一个V_out = 20V, I_ref = 7mA, I_cc = 1.5mA，I_opto = 1.5mA的无负载典型系统，二次侧功耗(P_out)等于：
　　P_out = (V_out V_tot) = (V_tot (I_ref + I_cc + I_opto)) = (20V (7mA + 1.5mA + 1.5mA)) = (20V 10mA) =200mW

　　一次侧功耗
　　现在我们将注意力转向一个典型适配器应用的一次侧，一个开关电源的一次侧由若干个功能块（例如：功率因数校正和脉宽调制）构成，每个集成块都会提高器件的总功耗。但是，因一次侧功能块引起的总功耗在无负载条件下通常假定为80mW左右（因为充电器和适配器的功率范围在5W之内）。
　　额定功效 是有关一次侧总体功耗的关键系数，最高的额定功效大约50%。这就是说，将1mW的功率传输到二次侧，在一次侧需要2mW的功率。[p]
　　回到我们上面的方程式计算中，在无负载条件下，如果我们在二次侧需要200mW的功率，就必须在一次侧产生400mW的功率，而且还需要80mW的电流驱动脉宽调制控制器。
　　这个关系式表明，如果在二次侧降低无负载功耗，那么，一次侧将获得两倍的好处。
　　优化系统
　　通常情况下，当一个人设计充电器或适配器应用时，这个应用的无负载功耗目标就已经确定了。具体目标可能是500mW或300mW，但是，直到今天，无负载总功耗达到100mW似乎仍然是可望而不可及。
　　在本节我们将看到三个实例系统：
　　(a) 一个典型的二次配置，如图1所示；这个系统采用一个通用二次集成电路，如ST的TSM103。
　　(b) 一个先进的二次侧电路图（见图3），这个结构采用一个集成电路，如ST内置自极化电压基准器件的TSM1011。这个自极化电压基准器件的集成取代了电阻器Rref,，从而消除了基准电流I_ref。
　　(c) 一个先进的二次侧电路图（见图3），这个结构采用一个极其先进的集成电路 ST的 TSM1012，在无负载条件下，这个电路消耗电流仅150A 。

除考虑典型的二次侧结构（图1）和先进的二次侧结构（图3）外，现在市场上还有三种只需0.5mA的光耦合器。我们将会看到，使用这种光耦合器也能将功耗降到很低。
　　下表列出了上面讨论的三个系统中的每个系统的参数：
从上表对比中我们不难看出，采用一个小功耗光耦合器配合TSM1012的系统，与一个典型的恒压恒流二次侧对比，前者的功耗经济性接近80%。最重要的是，采用这个先进的系统，无负载功耗能够降低到近100mW。

不过，我还看出仅提高光耦合器的性能，而继续沿用一个标准二次侧器件 (如TSM103) 并没有大幅度改进总功耗。