Нулевое энергопотребление становится реальностью

Снижение количества энергии, потребляемой устройствами в режиме ожидания, на сегодня является обязательным требованием к разработчикам большинства электронных устройств. Стандарты энергосбережения ужесточаются с каждым годом. К примеру, директива European Commission’s Energy-related Products (ErP) Directive Tier 1 разрешает устройствам, произведенным в 2010 г., потреблять в режиме ожидания до 0,5 Вт, тогда как устройствам, произведенным в 2011 г. (адаптерам мощностью до 51 Вт), этот порог понижен уже до 300 мВт.

Изначально при разработке стандартов энергосбережения установленные в них уровни ориентировались на доступные в то время технологии. Однако последние разработки в области импульсного преобразования энергии позволили гораздо строже ограничить энергопотребление преобразователей, чем того требовал стандарт. Руководители известных марок потребительской электроники хорошо осведомлены об этом и стремятся к тому, чтобы их устройства потребляли меньше, чем того требуют национальные стандарты. К примеру, несколько крупных ОЕМ-производителей телевизоров и мониторов установили максимум энергопотребления в режиме ожидания для своих устройств 100 мВт (что значительно меньше, чем требования, установленные отраслевыми стандартами).

Нулевая потребляемая мощность

Пункт 4.5 стандарта IEC 62301 объявляет нулевой потребляемую мощность ниже 5 мВт, то есть нулевая потребляемая мощность вполне реальна и достижима.

Для достижения этой цели прежде всего необходимо оптимизировать каждую секцию источника питания (ИП). Должны быть тщательно рассмотрены энергопотребление при малой нагрузке и энергопотребление на холостом ходу (в режиме «без нагрузки»).

Режим ожидания используется в ситуации, когда основное электронное устройство отключено, но его ИП активен для питания неких вспомогательных устройств (к примеру, в телевизоре питания ИК-приемника для дистанционного управления, таймера и пр.). В режиме холостого хода работают адаптеры или зарядные устройства, когда нагрузка отключается, но сам адаптер остается включенным в питающую сеть переменного тока. Эти два режима работы преобразователя ставят перед инженерами различные задачи. На рис. 1 показана схема обратноходового преобразователя для использования в адаптере ноутбука, которая оптимизирована для обоих режимов.

Рис. 1. Оптимизированный ИИП на базе микросхемы TOPSwitch-JX от Power Integrations

Этот источник питания мощностью 65 Вт (DER-243) обеспечивает на выходе 19 В, 3,42 А (при КПД >86%), энергопотребление на холостом ходу составляет <90 мВт при входном напряжении 230 В. Дизайн основан на микросхеме нового семейства TOPSwitch-JX от Power Integrations. Целью разработчиков было создание компактного адаптера для ноутбука, обладающего высокой энергетической эффективностью, насчитывающего минимальное количество компонентов, моментально реагирующего на изменение нагрузки, имеющего защиту от перенапряжения и обеспечивающего работу MOSFET-ключа на напряжении 80% от максимально допустимого (для улучшения надежности).

Микросхемы семейства TOPSwitch-JX характеризуются практически константной энергетической эффективностью во всем диапазоне нагрузок без применения специальных режимов работы, что существенно оптимизирует изделие для удовлетворения как существующим, так и новым стандартам. Однако когда целью стоит потребление на холостом ходу на уровне менее 100 мВт, должны быть использованы все доступные возможности для экономии энергии. Большой вклад в это дело внесет пересмотр и оптимизация некоторых частей схемы. Выделенные области на рисунке показывают те части схемы, где были приняты меры по снижению энергопотребления.

Вывод V микросхемы U1 обеспечивает функции защиты от: превышения максимального входного напряжения (OV); понижения ниже минимального входного напряжения (UV); снижения напряжения шины постоянного тока Dcmax; повышения максимального выходного напряжения (OVP). Также он реализует функцию дистанционного управления. Сенсорная цепочка резисторов R3 и R4 предоставляет микросхеме U1 информацию об уровне входного напряжения, а также питающий ток в 25 мкА. Стандартные номиналы этих резисторов — 4 МОм. При входном напряжении 230 В на них рассеивается 30 мВт энергии. В DER-243 номинал цепочки был увеличен с 4 до 10,2 МОм, что дало возможность снизить рассеиваемую мощность на 16 мВт. Однако это потребовало добавления резистора R20 для обеспечения дополнительного тока смещения микросхемы U1.

Цепь рассеивания высоковольтного выброса (VR2, C4, R5, R6, R11, R28, R29, и D2) ограничивает выброс на стоке ключа, вызванный индукцией рассеяния трансформатора. При малой нагрузке или на холостом ходу энергия индуктивности и частота переключения значительно ниже. В стандартной RCD-цепи рассеяния конденсатор С4 заряжался и разряжался бы каждый цикл, что тратило бы существенную часть энергии. Замена цепи на RZCD решает эту проблему путем предотвращения разряда С4 ниже установленного VR2 уровня и минимизирует энергопотребление цепи рассеяния в условиях малой нагрузки или холостого хода.

Для понижения потерь энергии на диодах и повышения рабочей частоты были выбраны диоды Шоттки. Снабберная цепь (C12, R15) подавляет «звон» на диодах и снижает уровень высокочастотного шума.

Для минимизации рассеяния энергии во вторичной цепи обратной связи была выбрана оптопара с высоким коэффициентом передачи, а также добавлен Q2 для формирования цепи Дарлингтона с U3B. Это понижает ток обратной связи до 1 мА.

Снижение потерь в цепях фильтрации ЭМИ

На входе преобразователя для фильтрации используются синфазные дроссели L3 и L4. Для фильтрации дифференциальных помех применяется Х-конденсатор С1, а резисторы R1 и R2 предоставляеют цепь для его разряда. Это требование безопасности предотвращает любые потенциальные риски поражения электрическим током. Стандарты безопасности (UL1950 и EN60950-1) предписывают, что напряжение для конденсаторов выше 100 нФ должно быть снято менее чем через 1 с после отключения питания.

Однако присутствие этих резисторов крайне нежелательно с точки зрения энергетической эффективности, так как они постоянно рассеивают порядка 12 мВт при входном напряжении 230 В. Для устранения этого Power Integrations представила семейство микросхем CAPZero, c помощью которого можно устранить эти нежелательные потери энергии. На рис. 2 показана микросхема CAPZero в типовом применении.

Рис. 2. Типовое применение CAPZero

В каждой микросхеме CAPZero имеются встроенный детектор пропадания питающего напряжения и два встречно включенных полевых транзистора в SO-8 корпусе. Когда присутствует питающее напряжение, CAPZero находится в выключенном состоянии и не потребляет энергию. Как только питающее напряжение пропадает, микросхема включается и через резисторы разряжает емкость входного фильтра. CAPZero обладают автономным питанием от сети переменного тока, а их собственное потребление составляет менее 21 мкА.

На рис. 3 показана эффективность добавления микросхемы CAPZero последовательно с резисторами R1 и R2 в преобразователь DER-243.

Рис. 3. Характеристики DER-243 с и без CAPZero

Результаты тестов подтвердили, что применение CAPZero может полностью устранить энергопотребление элементов, связанных с разрядом входного X-конденсатора. Кроме того, теперь входной фильтр может быть оптимизирован с использованием конденсаторов большей емкости и дросселей меньшей индуктивности, что существенно уменьшит габариты и стоимость устройства.

Сенсорная цепь

В рассматриваемом примере номиналы резисторов сенсорной цепи (R3, R4, R7, R8, R9) были увеличены для минимизации энергии, рассеиваемой на них. Однако рассеивание в этой цепи все еще присутствует, не только когда U1 находится в активном режиме, но и когда U1 не функционирует. В мощных преобразователях может быть несколько цепей, по которым необходимо осуществлять контроль (сигналы Feedback и Feedforward, подключенные к boost-контроллерам ККМ, Feedforward-сигналы в конвертерах two-switch-forward/LLC/half и full bridge). Рассеивание мощности в данных цепях можно предотвратить, используя другое семейство микросхем от Power Integrations — SENZero. Блок-схема SENZero представлена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема SENZero (SEN013)

Микросхема SENZero состоит из двух или трех MOSFET-ключей на 650 В, контроллера затвора и схемы защиты. Контроллер управляет затворами ключей в зависимости от напряжения, поданного на вывод Vcc. В типовом применении SENZero включена последовательно с резистором между шиной постоянного напряжения и точкой 0 В или контроллером. Номинальное сопротивление SENZero при комнатной температуре — 500 Ом, что составляет малую часть от сопротивления резисторов в аналогичном применении.

Когда система входит в режим сна, напряжение на Vcc падает, и контроллер запирает ключи и изолирует пути утечки тока с шины постоянного напряжения. Потери мощности в этом случае снижаются до уровня 500 мкВт на канал. Рис. 5 показывает, как использовать SENZero в типовом применении.

Показанный на рис. 5 ККМ является boost-преобразователем для источников питания мощностью до 1 кВт и использует как базу микросхему семейства HiperPFS (высокоэффективный ККМ со встроенным контроллером и MOSFET-ключом). В режиме сна устройство HiperPFS отключено, но на шине постоянного напряжения все еще присутствует выпрямленное входное напряжение. В данной схеме существуют два пути утечки тока с шины постоянного напряжения: R4, R19, R5 и R9, R11, R10, R12, R13, R14. Каждый путь представляет собой общее сопротивление примерно в 4 кОм, при использовании только HiperPFS каждая из двух цепей будет потреблять порядка 30 мВт, однако при использовании дополнительно микросхемы SEN012 (пропустив цепи через MOSFET-ключи) мощность можно понизить до 0,5 Вт.

Рис. 5. ККМ 347 Вт с универсальным входом

Энергосбережение в действии

Рис. 6 показывает, как может быть внедрено ультрамалое энергопотребление в режиме ожидания в бытовую электронику (в данном случае — стиральную машину). Управляющая электроника машины рассчитана на питание от ИИП на базе микросхемы LinkZero-AX. Этот обратноходовый преобразователь обеспечивает в активном режиме на выходе мощность до 3 Вт. Однако при переходе устройства в режим сна ИИП потребляет менее 3 мВт от входной питающей сети и способен обеспечить до 500 мкА для питания таких устройств, как таймер или ИК-приемник.

Рис. 6. Упрощенная блок-схема стиральной машины с нулевым энергопотреблением в режиме ожидания

Система вводится в режим ожидания импульсом со схемы управления. Микросхема LinkZero-AX останавливает переключения ключа и остается в состоянии покоя. CAPZero изолирует резисторы разряда X-конденсатора. SENZero изолирует сенсорные цепи от шины постоянного напряжения. Когда устройство «просыпается», начинаются переключения LinkZero-AX, на Vcc появляется напряжение, что в свою очередь заставляет открыться два MOSFET-ключа в SENZero. Это позволяет доставить сенсорные сигналы готовности микроконтроллеру для перезагрузки и принятия управления. В режиме сна преобразователь потребляет менее 5 мВт.

Примеры преобразователей малой, средней и большой мощности, рассмотренные в данной статье, наглядно демонстрируют, что не существует «магической кнопки» для достижения ультрамалого энергопотребления. Многие элементы схемы должны быть серьезно оптимизированы. Однако благодаря применению специализированных микросхем, разработанных для поддержания ультра-малого энергопотребления, могут быть достигнуты прекрасные результаты без существенного увеличения сложности и стоимости изделия. Теперь нулевое энергопотребление в режиме ожидания технически осуществимо, и теперь как регулирующие органы, так и производители электроники по всему миру могут принять нулевое энергопотребление новым стандартом.