超低電流隔離型開關電源設計挑戰(zhàn)

　在非連續(xù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中，開關電源常常需要工作在一個相互矛盾的條件下，即要求輸入和輸出之間保持較高的隔離度和靜態(tài)電流極低的待機模式。由于工作狀態(tài)下消耗的功率遠遠高于待機功耗，這樣的組合要求增大了設計難度。由于需要在隔離和低功耗之間進行折衷，目前商用化的電源模塊幾乎都不能滿足這樣的要求。

　　本文討論了對一款用于無線通信設備的隔離型開關電源的測試結(jié)果，電源輸入電壓為12V，輸出3.6V，具有目前市面上最低的靜態(tài)電流。這款電源是為EGSM、WiFi和ZigBee通信模塊設計的，其遠端控制功能可以在惡劣環(huán)境下用于電機激勵和電子檢測。

　　無線通信在過去5年發(fā)生了突飛猛進的增長，并將繼續(xù)保持增長勢頭。除了GSM和3G移動通信系統(tǒng)，基于IEEE無線標準802.xx1各種版本的Bluetooth、WiFi、Winmax和ZigBee等新興通信技術也在不斷發(fā)展。目前，包括小型無線監(jiān)測和控制設備在內(nèi)的監(jiān)控需求越來越多，這樣的設備必須滿足苛刻的尺寸和功率要求。為了滿足這些要求，集成供應商必須通過高度集成的芯片來降低系統(tǒng)尺寸2和功耗3,4。

　　無線設備供電電源的一項重要指標是延長電池的使用壽命，主要設計目標是在保證無線通信系統(tǒng)性能的前提下降低功耗。綜合上述條件，需要考慮以下設計特點：

非連續(xù)收發(fā)；
電源濾波或穩(wěn)壓；
高效電路拓撲。
　　上述第一個特點取決于傳輸系統(tǒng)，第二個要求可以通過開關電源實現(xiàn)，而第三個要求則由開關電源本身的功耗決定，另外還需要盡可能減小待機功耗。因此，通過上述三個特點對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

　　非連續(xù)收/發(fā)

　　因為無線系統(tǒng)中，發(fā)送器和接收器耗電最大，很多設備采用了非連續(xù)發(fā)送/接收方案，以優(yōu)化通信鏈路的空間接口資源和效率。由于無線通信單元不時連續(xù)工作，有利于降低整體功耗。

　　另一方面，非連續(xù)傳輸會在電源中引入較大的電壓紋波和電流峰值5。偏置電壓的穩(wěn)定性會直接影響收發(fā)器的性能，電源電壓的跌落將大大降低射頻電路的工作指標，從而很難滿足通信設備的規(guī)格要求。系統(tǒng)由蓄電池供電時，電池壽命和放電特性對負載的峰值電流也非常敏感。

　　電源濾波和穩(wěn)壓

　　電源可以通過一個大電容或其它技術進行濾波（參考文獻6）。電源電壓通過線性穩(wěn)壓器或開關電源進行調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓不僅僅可以降低紋波還可以減小EMI，以保持無線設備的工作性能。

　　大功率電源拓撲

　　電源的效率非常關鍵，因此，需選擇最佳拓撲的開關電源。表1列出了常見的商用化DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的，但這些模塊不能滿足我們的目標需求：空載時保持超低功耗。即使是非隔離電源在空載時也會消耗相當大的電流，我們的目標是在空載條件下將電源電流限制在12mA以內(nèi)，為了達到這一目標，我們把待機電流和靜態(tài)電流按以下的方式劃分：

靜態(tài)電流是空載下保持穩(wěn)壓所需的電源電流；
待機電流是當電源不為系統(tǒng)提供穩(wěn)壓輸出時的電源電流。
　　最后，我們還需要提供隔離，在惡劣環(huán)境下為系統(tǒng)可靠工作提供必要的保護。

　　當前技術水平

　　上述討論表明為無線設備設計電源時需要考慮以下問題：

非常低的空載功耗；
隔離；
效率和尺寸。
　　基于上述三個條件，設計高效轉(zhuǎn)換器時須注意以下三個方面：

隔離；
控制方法；
反饋回路的拓撲。
　　隔離

　　電源的輸入和輸出隔離是通過變壓器實現(xiàn)的，對于逆變和反激拓撲，能量儲存在變壓器電感內(nèi)，問題是如何提供變壓器次級到原級的反饋。大多數(shù)系統(tǒng)通過使用額外的繞組或光耦實現(xiàn)。輔助繞組提高了復雜度，而且在低壓輸出以及負載變化時不能保證足夠精確的輸出電壓。

　　電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，光耦需要穩(wěn)定的電流流過原級LED。為優(yōu)化系統(tǒng)，需盡可能降低該電流(圖1)。通過減小低電流下光耦的轉(zhuǎn)移系數(shù)(CTR) (10mA時63%，1mA時22%)，并降低光耦速度可以使這個電流達到最小。此外，還需要誤差比較器、精密基準TLV431的電流，使其保持在最小值(Ikmin = 100μA)。

圖1. 輸出分壓電路產(chǎn)生誤差比較器信號，用于隔離圖3所示開關電源。