針對電視應(yīng)用的ECO待機(jī)和關(guān)閉模式

　　簡介

　　如今，隨著能源需求的持續(xù)走高，各國政府和節(jié)電機(jī)構(gòu)越來越關(guān)注電源轉(zhuǎn)換能效和待機(jī)能耗。由于許多設(shè)備始終處于通電但又不執(zhí)行特定功能的狀態(tài)，因此在全球范圍內(nèi)推出了多種自愿性和強(qiáng)制性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。這些新標(biāo)準(zhǔn)著眼于降低空載待機(jī)能耗，最低要求限制在0.3W。由于這種空載模式的能耗負(fù)擔(dān)與日俱增，主要的電視制造商正尋求進(jìn)一步改善性能，將待機(jī)能耗限制在0.1W以下。盡管這并非強(qiáng)制性能要求，但它將有助于推動ECO待機(jī)模式的普及。

　　除了選擇ECO待機(jī)模式外，還可以采用完全關(guān)閉模式，這種模式著眼于將能耗降低至25mW以下，甚至達(dá)到0W。如果最傳統(tǒng)的方案是使用總電源開關(guān)，稍后我們將看到在成本和安全性指標(biāo)上更優(yōu)的另一種方案。

　　最終，電視制造商們會意識綠色產(chǎn)品能夠帶來更多的市場收益，在關(guān)注能源成本上升、具有環(huán)保意識的消費者面前，突顯他們產(chǎn)品的與眾不同。

　　概覽

　　ECO待機(jī)電源轉(zhuǎn)換器可提供極低能耗，也支持完全待機(jī)功能，可通過遙控、紅外線(IR)功能和外設(shè)控制打開電視(歐盟SCART規(guī)范)。轉(zhuǎn)換器在待機(jī)模式下消耗的電流應(yīng)當(dāng)?shù)陀?mA(或能耗低于40mW)，從而確保電視的總能耗低于90mW。這可能要求采用專用待機(jī)微處理器(µP)，后者已成為用于ECO待機(jī)模式的一種更先進(jìn)的技術(shù)。

　　傳統(tǒng)固定頻率開關(guān)穩(wěn)壓器在提供最大輸出功率方面的性能極佳，但由于采用使用壓縮電流來減輕可能的噪聲問題的跳周期模式，它們并不提供最佳的極低輸出功率性能。我們過去喜歡采用磁滯模式開關(guān)穩(wěn)壓器，通過輕載和限制開關(guān)損耗來減少開關(guān)周期的數(shù)量。

　　即使總電源開關(guān)配合陰極射線管(CRT)電視在歐洲和亞洲被廣泛使用，單平板電視并不需要部件遵從安全/標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(電壓不高于4kV)。雖然并非強(qiáng)制性要求，但我們看到越來越多的平板電視開始配備總電源開關(guān)來支持“綠色關(guān)機(jī)模式”。雖然這種方案看上去最簡單，但為了避免滋生安全問題及著火風(fēng)險(可能需要氧化釩(VO)機(jī)殼塑料材料)，高峰值浪涌電流及開關(guān)周圍所需的隔離(開關(guān)和線纜與電視機(jī)殼金屬部件之間的主隔離)則使得機(jī)械設(shè)計既復(fù)雜又昂貴。開關(guān)在機(jī)殼中的位置也很重要，由于線纜位置可能導(dǎo)致EMI濾波器成為“旁路”元件，因此可能會增加電磁干擾(EMI)問題。

　　由于ECO待機(jī)方案在空載條件下的性能極佳，我們能夠提供主電源端能耗低于25mW的關(guān)閉模式。該關(guān)閉模式由連接在次級端的小型低壓/低成本開關(guān)來控制，不會增加任何隔離和EMI問題。這方案符合最嚴(yán)格的安全要求，不允許電視開關(guān)導(dǎo)通(否則開關(guān)關(guān)閉)，并且在任何安全測試中的能耗都不高于15W。

　　圖1 待機(jī)開關(guān)電源初級端電路圖

　　為了能夠在待機(jī)和關(guān)閉模式下保持如此低的能耗，我們使用繼電器來斷開在這些模式下未被使用的元件的連接。繼電器直接采用5V待機(jī)電源供電，并由電視機(jī)微處理器控制，在待機(jī)模式下可以避免約100mW的寄生能耗(PFC外圍元件和主電源濾波器X2個電容放電阻抗)。

　　待機(jī)開關(guān)電源應(yīng)當(dāng)采用直接連接至主電源輸入(在繼電器前面)的專用二極管供電。由于待機(jī)模式下的功率受到限制，單相整流就足夠了，由PFC輸出“轉(zhuǎn)移而來的電能(take over)” 利用400V電壓為待機(jī)開關(guān)電源供電，該400V電壓源自工作模式下PFC，能夠在5V待機(jī)輸出端提供高達(dá)7.5W的功率(1.5A電流)。

　　圖2 提供400V PFC輸出電壓和最大輸出電流時的導(dǎo)通(ON)模式

　　待機(jī)開關(guān)電源初級端

　　由于嵌入了啟動穩(wěn)壓器，待機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓器IC100能夠在主電源電壓范圍內(nèi)短時間啟動(90Vac電壓時，啟動時間短于20ms)。此IC采用磁滯模式工作，內(nèi)部限制最大恒定初級電流，提供穩(wěn)壓功能，并以可變周期調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的能量。為了在待機(jī)模式下提極低輸出能耗，該控制器采用極低頻率工作，使每個周期保持同樣的最大電流，大幅減小開關(guān)損耗，從而為低能耗/ECO模式提供高能效(在90Vac電壓下，空載時的71Hz跳周期模式頻率上升至322Hz，從而提供8mA/40mW的輸出)。

　　待機(jī)開關(guān)電源次級端

　　該電源設(shè)計提供單5V待機(jī)電源，在導(dǎo)通模式下具有最高1.5A電流。TLV431(即分流穩(wěn)壓器IC101)用于穩(wěn)壓，降低ECO模式的電流消耗(因為極化需要更低的電流)，并為5V電源提供更大的電壓裕量。

　　功能型關(guān)閉開關(guān)

　　該開關(guān)可以比總電源開關(guān)小很多，僅要求10V電壓和2A的直流電流。開關(guān)被連接在次級端，不需要與電視機(jī)殼的金屬部件有任何隔離，且在電壓低于10V時不存在任何著火風(fēng)險。

　　整個方案滿足了安全性要求，不允許電視機(jī)在開關(guān)沒有動作的前提下就切換至導(dǎo)通/工作模式，并在任何安全測試(短路或任何電器部件開路)中都能確保主電源端的能耗低于15W。

　　在沒有輸出負(fù)載時待機(jī)電源仍將保持工作，采用230Vac供電時，主電源端的能耗小于25mW。該方案采用更低成本實現(xiàn)了更高的性能，并且避免了可能的安全問題，為電源總開關(guān)提供了極佳的備選方案。

　　圖3 待機(jī)開關(guān)電源次級端電路圖

　　待機(jī)/導(dǎo)通控制及過壓保護(hù)(OVP)

　　源自電視機(jī)微處理器的“待機(jī)”控制將控制電源，使系統(tǒng)能夠進(jìn)入導(dǎo)通/工作模式，或迫使其處于待機(jī)模式。由于“待機(jī)”控制高達(dá)5V的電壓，信號晶體管驅(qū)動繼電器利用主電源電壓為PFC供電，同時驅(qū)動光耦合器，以待機(jī)電源輔助電壓VCC1為所有初級控制器/IC供電。

　　當(dāng)電視進(jìn)入待機(jī)模式時，繼電器和光耦合器都將由待機(jī)控制線路變?yōu)榈碗娖蕉P(guān)閉。

　　次級5V待機(jī)輸出對地短路

　　在輸出對地短路的情況下，IC中的電流將保持為相同的峰值，但由于不能完成能量的傳遞，系統(tǒng)將采用連續(xù)導(dǎo)電模式工作，變壓器、IC和二極管中的均方根(RMS)電流要高得多。

　　由于關(guān)閉了穩(wěn)壓功能，驅(qū)動穩(wěn)壓引腳的控制器就沒有反饋。而由于沒有反饋控制，IC將停止工作，直到Vcc電壓降到足夠低以實現(xiàn)重啟。電源將以低頻(約7kHz)升壓或跳周期模式工作，關(guān)閉時間占70%，從而避免出現(xiàn)任何過溫或安全問題。

　　總體能耗及能效表現(xiàn)

　　• 關(guān)閉模式/空載時，輸入功率低于25mW;

　　• 5V待機(jī)時，輸入功率低于90mW，輸出功率為40mW;

　　• 輸入電壓為90Vac時，在待機(jī)模式下5V待機(jī)端的電流消耗最大為500mA ;

　　• 輸入電壓為230Vac時，在待機(jī)模式下5V待機(jī)端子的電流消耗最大為1.5A ;

　　• 導(dǎo)通模式下，以源自PFC的400Vdc供電時，電流消耗最大為1.5A。

　　圖4 安森美半導(dǎo)體最新電視電源GreenPoint參考設(shè)計中的ECO待機(jī)電源

　　結(jié)論

　　針對電視應(yīng)用，現(xiàn)在可以采用能耗低于90mW、提供完整待機(jī)功能及符合所有規(guī)范要求的ECO待機(jī)模式。盡管這種模式要求專用額外的待機(jī)開關(guān)電源，但它無需復(fù)雜設(shè)計就具備大功率的轉(zhuǎn)換器功能，能夠提供很高的待機(jī)模式性能(對能效和安全性至關(guān)重要的額外開關(guān))。尤為重要的是，這種方案由于具備極佳的“空載”性能，能以經(jīng)濟(jì)的“關(guān)閉”模式進(jìn)一步降低能耗，還有助于提升可靠性，避免傳統(tǒng)高壓總電源開關(guān)方案附帶的安全風(fēng)險。