挑战30mW低待机功耗的解决方案

全球能源日趋紧张，能效标准越来越严苛，这些问题都驱使电子产品朝着“高效率，低待机功耗”方向发展。作为电子产品的“心脏”，90W以下电源空载功耗低于100mW, 已成为目前发展的共识。2008年11月，诺基亚、三星、LG、摩托罗拉以及索尼爱立信，共同公布推出了一项新的更为严格的手机充电器待机分级制度，超越了当今世界任何机构现行或提议中的待机功耗规范。新的分级制度将以零到五颗星的标志图案来区分待机能耗。例如，待机功耗≤30mW的手机充电器属于最高星级，在其标签上印有五颗星。相反，假如待机功耗＞500mW，则充电器标签上将无任何星级标记。

图1  EC IPP手机设备充电器（5星级）分级

在当前情形下，西安民展微电子有限公司为设计工程师提供相关IC，可帮助客户应对严苛的能效标准。民展微电子自主创新的15W级别PWM功率芯片PR8224，可实现空载功耗低于30mW的小功率适配器解决方案，这比能源之星(level V)的标准（＜300mW）低90%。除此之外，该方案还具有合理的成本、易于实现和可靠性较高的优势。

由于反激式结构具有宽电压输入范围以及低成本的优点，在实际中广泛的应用在100W以下的低功率阶段。以图1所示典型的反激式开关电源为例，对该系统的空载待机功耗分析可知，主要的空载损耗包括：EMI滤波部分损耗、启动电阻损耗、初级RCD吸收损耗、MOS导通和开关损耗、IC损耗、变压器损耗、次级控制回路损耗、次级整流损耗和吸收回路损耗等其他损耗。表一列出了上述损耗的估算公式：

图2 典型反激式开关电源

表1：损耗估算公式

以采用民展微电子第一代产品CR6224设计的12W电源为例，通过上述公式，估算一般反激式电源空载功耗。假设启动电阻为2MΩ，则在264Vac输入时损耗为65mW；CR6224工作电压设在14V，空载工作电流为2mA,则IC损耗为28mW；MOS上的损耗为46mW，变压器损耗为39mW，次级控制回路损耗15mW，初级吸收损耗13mW，次级吸收损耗为5mW，次级整流损耗为7mW，其他5mW。总计为223mW，基本上接近实测的待机功耗232mW。通过对CR6224待机功耗的估算，要降低待机功耗，必须降低启动电阻损耗、开关损耗、IC损耗、次级控制回路损耗。可行的办法是在空载时，降低启动电阻上的电流、控制IC的工作电压和电流、开关频率等。民展微电子自主研发的第二代产品PR8224正是通过这些方法获得极低的待机功耗和优越的性能。

PR8224采用先进的技术和制造工艺，其工作电压范围在8V~28V，推荐工作电压为12V，正常工作电流为1.5mA，空载时工作电流降至0.8mA。空载时PR8224损耗为9.6mW，仅为CR6224损耗的三分之一。PR8224内部还采用成熟的高压工艺，支持通过整流后的高压启动，启动电流为1.5mA，启动结束后，将切断启动电流，使漏电流＜10uA。这样不但使空载时较CR6224启动损耗减少61mW，损耗仅不到4mW，而且使启动时间低于500mS，同时实现低损耗和快速启动两种功能。PR8224内部还设计有打嗝模式，在空载时通过FB脚反馈，进入深度打嗝模式，此时实现间歇式发波（如图3），极大的降低了开关频率，近而降低MOS等开关损耗；同时，也会降低与开关频率相关的变压器铁损、吸收回路损耗等。估算MOS上的损耗为4mW，变压器损耗为2mW，初级吸收损耗和次级吸收损耗总共为1mW。另外，为了防止工作频率过低产生人耳可闻的音频噪声，一般最低工作频率设定在20KHz之上。

图3 打嗝模式

PR8224反馈电流仅为250uA，推荐采用较低工作电流及低参考电压的TL432，可以降低基准电路的功耗以及输出电压取样电路的功耗，使次级控制回路损耗可以控制在3mW以内。

通过上述计算，PR8224空载待机的总损耗为23.6mW，非常接近实际测试的功耗。仅为CR6224的十分之一，这只是PR8224一方面的优势。PR8224还内置功率MOS，可节约PCB空间，简化设计；内置的4mS软启动，在满载启动时，可减少内置MOS的应力；PR8224开关频率固定在65KHz，节省了外部定频元件；内置的频率抖动功能可使EMI设计简单化，节省工程师的开发时间；PR8224覆盖全面的保护，使其在出现OCP、OLP时，当故障撤销时可自动恢复正常，出现OTP、OVP时锁死保护，重新上电时恢复正常，这些保护为系统提供高的可靠性。

图4为采用PR8224设计的12V1A适配器原理图，本节将以该电路的实测结果说明此方案的优越性能以及适合量产的余量。

图4 基于PR8224设计的12V1A适配器原理图

PR8224实测待机功耗，对比相同规格的CR6224待机功耗：

表2：实测待机功耗

绘图如下：

图5  PR8224&CR6224待机功耗比较

由实测数据可看出，PR8224在空载待机方面表现非常出色，待机功耗还有大于5mW的余量；由于PR8224功耗降低，其在效率方面会较CR6224高出0.5~1个百分点。这使得PR8224的方案具有高效低能耗的优势，非常适合量产。可以帮助电源制造商提升竞争力，提前抢占低待机要求的市场。

降低电源的待机功耗是能源发展的趋势要求，民展微电子做为一家芯片制造商和方案提供商，一直致力于高效低能耗绿色电源管理芯片的开发和系统方案设计。除PR8224以外，还提供频率为132KHz的PR8224H，可以减小功率器件体积，做到电源小型化；民展微电子还开发出36W级别的PR6863，其采用桥前启动技术，可使待机功耗低于100mW；75W级别的PR8278，采用先进的去除X电容放电电阻技术，高压启动技术，使其在50mW以内系统待机方案设计上富有竞争力。