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超低电流隔离型开关电源设计挑战




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  在非连续传输的通信系统中,开关电源常常需要工作在一个相互矛盾的条件下,即要求输入和输出之间保持较高的隔离度和静态电流极低的待机模式。由于工作状态下消耗的功率远远高于待机功耗,这样的组合要求增大了设计难度。由于需要在隔离和低功耗之间进行折衷,目前商用化的电源模块几乎都不能满足这样的要求。

  本文讨论了对一款用于无线通信设备的隔离型开关电源的测试结果,电源输入电压为12V,输出3.6V,具有目前市面上最低的静态电流。这款电源是为EGSM、WiFi和ZigBee通信模块设计的,其远端控制功能可以在恶劣环境下用于电机激励和电子检测。

  无线通信在过去5年发生了突飞猛进的增长,并将继续保持增长势头。除了GSM和3G移动通信系统,基于IEEE无线标准802.xx1各种版本的Bluetooth、WiFi、Winmax和ZigBee等新兴通信技术也在不断发展。目前,包括小型无线监测和控制设备在内的监控需求越来越多,这样的设备必须满足苛刻的尺寸和功率要求。为了满足这些要求,集成供应商必须通过高度集成的芯片来降低系统尺寸2和功耗3,4。

  无线设备供电电源的一项重要指标是延长电池的使用寿命,主要设计目标是在保证无线通信系统性能的前提下降低功耗。综合上述条件,需要考虑以下设计特点:

  • 非连续收发;
  • 电源滤波或稳压;
  • 高效电路拓扑。

  上述第一个特点取决于传输系统,第二个要求可以通过开关电源实现,而第三个要求则由开关电源本身的功耗决定,另外还需要尽可能减小待机功耗。因此,通过上述三个特点对系统进行优化设计。

  非连续收/发

  因为无线系统中,发送器和接收器耗电最大,很多设备采用了非连续发送/接收方案,以优化通信链路的空间接口资源和效率。由于无线通信单元不时连续工作,有利于降低整体功耗。

  另一方面,非连续传输会在电源中引入较大的电压纹波和电流峰值5。偏置电压的稳定性会直接影响收发器的性能,电源电压的跌落将大大降低射频电路的工作指标,从而很难满足通信设备的规格要求。系统由蓄电池供电时,电池寿命和放电特性对负载的峰值电流也非常敏感。

  电源滤波和稳压

  电源可以通过一个大电容或其它技术进行滤波(参考文献6)。电源电压通过线性稳压器或开关电源进行调节,稳压不仅仅可以降低纹波还可以减小EMI,以保持无线设备的工作性能。

  大功率电源拓扑

  电源的效率非常关键,因此,需选择最佳拓扑的开关电源。表1列出了常见的商用化DC-DC转换模块的,但这些模块不能满足我们的目标需求:空载时保持超低功耗。即使是非隔离电源在空载时也会消耗相当大的电流,我们的目标是在空载条件下将电源电流限制在12mA以内,为了达到这一目标,我们把待机电流和静态电流按以下的方式划分:

  • 静态电流是空载下保持稳压所需的电源电流;
  • 待机电流是当电源不为系统提供稳压输出时的电源电流。

  最后,我们还需要提供隔离,在恶劣环境下为系统可靠工作提供必要的保护。

  当前技术水平

  上述讨论表明为无线设备设计电源时需要考虑以下问题:

  • 非常低的空载功耗;
  • 隔离;
  • 效率和尺寸。

  基于上述三个条件,设计高效转换器时须注意以下三个方面:

  • 隔离;
  • 控制方法;
  • 反馈回路的拓扑。

  隔离

  电源的输入和输出隔离是通过变压器实现的,对于逆变和反激拓扑,能量储存在变压器电感内,问题是如何提供变压器次级到原级的反馈。大多数系统通过使用额外的绕组或光耦实现。辅助绕组提高了复杂度,而且在低压输出以及负载变化时不能保证足够精确的输出电压。

  电源系统稳定工作时,光耦需要稳定的电流流过原级LED。为优化系统,需尽可能降低该电流(图1)。通过减小低电流下光耦的转移系数(CTR) (10mA时63%,1mA时22%),并降低光耦速度可以使这个电流达到最小。此外,还需要误差比较器、精密基准TLV431的电流,使其保持在最小值(Ikmin = 100μA)。

图1. 输出分压电路产生误差比较器信号,用于隔离图3所示开关电源。

  对于连接在基准输出的分压电阻R131和R137,为了减小电流须选择大阻值电阻。设计时需要考虑补偿输入电流和输入电容造成的延迟(这个问题可以通过电容分压解决)。由于输出电容(C47)很大,需要选择低ESR电容(钽、OsCon、有机铝电容等)。另外还要求电容具有极低的漏电流,应为漏电流(特别是在高温情况下)会产生很大的损耗(对于一个16V Kemet T495 100μF电容,IL在25°C 时等于16μA,85°C时会达到160μA)。

  控制电路

  最常见的电源拓扑是电流模式脉宽调制(PWM),通过改变脉冲宽度控制电感的充电电流。负载较重时,通过加大脉冲宽度使电感储存更多能量(图2)。负载较轻时,通过减小脉冲宽度降低电感储能。对于低电流负载,电源工作在非连续模式,主要电流损耗源于电源本身。

图2. 脉宽调制器(PWM)控制产生控制电压(中线)和电感电流(底线),以响应负载电流的变化(顶部)。

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