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智能家电需要具有智能待机电源管理的智能电源

ST高级应用工程师Mirko Sciortino 2019-05-07

介绍eVY电子头条

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您知道大多数电气和电子家用和办公设备在关闭或不执行其主要功能时会消耗电力。这种待机功率大多浪费了。eVY电子头条

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在全球范围内,待机损耗是总用电量的重要组成部分。认识到这一点,由于在二十一世纪的许多自愿性和强制性节目的开始已经采取旨在减少待机功率(及其相关的CO 2排放)。eVY电子头条

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用户打开和关闭的家用定期器具,例如洗衣机,咖啡机和新的机器人真空吸尘器,通常在空闲时有两个断电阶段:eVY电子头条

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•“左开模式”是指设备完成其工作循环并保持打开状态。该阶段可以在循环完成后无限期地持续,而无需用户的进一步干预。eVY电子头条

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•正如您可能猜到的那样,“关闭模式”是设备自动关闭或由用户关闭的时间。eVY电子头条

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为了达到最高标签等级,限制左开模式的持续时间并强制设备在完成其工作循环时自动进入关闭模式是有意义的。事实上,用于能耗计算标签的IEC62301第4.5条规定,如果在“关闭模式”下设备的功耗低于5 mW,则在设备不能满足时,不需要考虑能耗。履行其主要职能。eVY电子头条

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其他家用连续电器,例如冰箱,总是保持开启状态,并且必须在轻负载条件下高效运行,这是它们在其生命的主要部分中运行的地方。eVY电子头条

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本文介绍了一种使用先进技术和智能电源架构最大限度地降低家用电器整体待机功耗的方法,这使得SMPS设计能够满足最苛刻的节能法规,这要归功于:eVY电子头条

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•先进的轻载管理,使设备能够在轻载和空载条件下实现最低的总输入功耗。eVY电子头条

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•零功耗模式(ZPM)功能,使设备能够在工作循环结束时自动关闭,从而消耗电源线的零功率。 eVY电子头条

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参考两个VIPerPlus高压转换器给出了这种技术的实现的示例。eVY电子头条

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先进的轻载管理eVY电子头条

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VIPer01是一款高压转换器,巧妙地集成了800 V雪崩耐用功率MOSFET和固定频率PWM电流模式控制。集成的HV启动,感应FET,误差放大器和具有频率抖动的振荡器使您能够以最少的元件数量设计完整的应用(反激式,降压,降压 - 升压)。eVY电子头条

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VIPer01的主要特点是满足轻载下最严格的节能标准:eVY电子头条

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•功率MOSFET和内部逻辑电路的低阈值,允许从4.5 V电源电压开始为IC供电。eVY电子头条

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•降低功率MOSFET的栅极电荷和内部逻辑电路的低功耗可使电路达到极低的静态电流。eVY电子头条

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•“脉冲频率调制”(PFM)可降低轻载时的开关频率,从而最大限度地减少所有与频率相关的损耗。以下部分报告了轻载条件下的性能测量。eVY电子头条

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以下部分报告了轻载条件下的性能测量。eVY电子头条

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轻载待机性能eVY电子头条

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此处报告的测量指的是评估套件STEVAL-ISA177V1,这是一款基于VIPer01的宽范围反激式转换器,可为5 V单输出提供4.25 W的功率。eVY电子头条

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在空载条件下,整个应用在230 V AC时功耗不到10 mW,其效率@ 250 mW输出负载高于60%。eVY电子头条

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表1:STEVAL-ISA177V1空载和轻载性能eVY电子头条

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市场上最佳的待机性能eVY电子头条

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最流行的高压转换器的基准测试表明,基于VIPer01的降压拓扑结构的5 V输出转换器具有比市场上可用的平均待机更好的性能。eVY电子头条

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为了确保实际比较,所有测量都使用相同的基板进行,基板配备有:二极管桥式整流,输入滤波器,续流二极管,功率电感器和输出电容器。eVY电子头条

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每个待测样品都放在一个单独的模块上,该模块包含偏置和运行特定SMPS驱动器所需的所有电路。然后,将模块分别插入基板。eVY电子头条

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轻载效率比较eVY电子头条

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图1:Vout时的效率= 5 V,轻载eVY电子头条

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上图显示,相对于所有考虑的设备,VIPer01在轻载下的效率方面具有最佳性能。eVY电子头条

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待机消费比较eVY电子头条

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我们通过在输出端连接齐纳二极管来测量待机功耗。15 V齐纳二极管用于5 V输出电压,20 V齐纳二极管用于12 V输出,28 V齐纳二极管用于24 V输出电压版本。下表总结了在不同条件下进行的待机测量。eVY电子头条

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表2:输出端使用齐纳二极管测量的待机功率eVY电子头条

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先进的架构,实现零功耗eVY电子头条

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本节显示VIPer0P允许为周期性家用设备设计SMPS,在工作周期结束时自动进入关闭模式,在此关闭模式状态下耗电量小于5 mW,摆脱常用的双稳态机电开关,提高整体可靠性,降低系统成本。事实上:eVY电子头条

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•SMPS可以通过监控设备操作的微控制器(MCU)关闭,并进入一个特殊状态,在输出终端不输送电源。eVY电子头条

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•一旦处于此状态,SMPS就可以由用户手动重启,同时从230 Vac的电源线消耗的功率小于5 mW。eVY电子头条

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该功能是“零功率功能”,VIPer0P的创新功能,将在下文中描述并由IEC62301第4.5条定义。eVY电子头条

零功率功能eVY电子头条

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除了2.1节中列出的高级轻载管理功能外,VIPer0P的主要特性还有“零功率功能”,其原理示意图如图2所示。它由一个特殊的空闲状态组成(零 - 功率模式,ZPM)控制IC完全关闭 - 除了退出ZPM所需的电路 - 并且高压启动单元不执行其通常的功能。高压启动单元是用于通过将其Vcc电容器Cs充电到高于启动阈值来直接从整流电源线启动器件的电流发生器。eVY电子头条

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假定该设备是运行正常,当OFF端子电压被拉至GND为超过10毫秒(去抖动时间为免疫紊乱)中,“零功率逻辑”块断言信号SD和ZP高。SD断言高电平将控制芯片的所有模块从Vcc电源线断开,因此在主MOSFET的栅极拉低时关闭。这会阻止SMPS。控制IC中唯一仍然存活的部分是“零功耗逻辑”模块和为其提供偏置电压的4 V稳压器。eVY电子头条

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图2:VIPer0P的零功率功能原理示意图eVY电子头条

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ZP信号置为高电平M3导通并通过齐纳二极管ZD2将M1的栅极端子的电压固定在约15V。通过这种方式,Vcc电压设置为大约13 V.Vcc提供的4 V线性稳压器提供了操作所需的μA,并使“零功耗逻辑”模块保持活动状态。两个引脚ON和OFF通过50kΩ上拉电阻内部连接到此4 V电源线,因此它们中的任何一个都可用于为某些外部电路提供小电流。eVY电子头条

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ZPM的总体功耗由两部分组成:分支ZD1,R G,ZD2,M3以及由4 V稳压器吸收的静态电流I q(≈1.5μA)和“零功率逻辑”阻止加上电流I ext传递到外部电路。eVY电子头条

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这种消费可估计如下:eVY电子头条

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具有明显的象征意义。在Vin = 230 Vac且具有最坏情况值(R G =28MΩ,V ZD 1 + V ZD2 = 20 V,I q =2μA)时,I Z ext为P ZPM = 4.2 mW + 0.325 mW /μA 。eVY电子头条

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要退出ZPM,必须将ON引脚电压拉至GND超过20μs的去抖时间。通过这样做,“零功率逻辑”块将信号SD和ZP置为低。ZP断开低匝M3并释放M1的栅极端子,而SD断言低电平将控制芯片的块重新连接到Vcc电源线,由Vcc电容器Cs保持在13V。该电压远高于IC的启动阈值(8 V),因此M2导通时禁用高压启动单元,并立即重启开关活动。eVY电子头条

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关于零功耗架构的一个实例eVY电子头条

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演示板STEVAL-ISA174V1是一款宽频输入,6.8 W双输出非隔离式反激式转换器,采用VIPer0P设计。eVY电子头条

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图3:STEVAL-ISA174V1(64 x 29 mm)eVY电子头条

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它通过分压器提供4 W输出 - 5 V输出,该分压器连接到FB引脚上可用的误差放大器的非反相输入; 和2.8 W至+ 7 V输出,通过两个输出绕组的匝数比通过磁耦合进行半调节。eVY电子头条

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演示板已经完全表征并在AN4836中进行了描述,此处仅报告了与节能要求相关的结果。特别是,该应用程序符合能源意识设计的最严格参考,例如European CoC ver。5外部电源要求。eVY电子头条

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表3中的数据表明,当处于零功率模式(ZPM)时,应用被批准为具有符合IEC62301条款4.5的零功率输入功耗,并且在无负载运行时具有五星级能效。eVY电子头条

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表3:STEVAL-ISA174V1的ZPM输入功率和空载输入功率eVY电子头条

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表4中的数据表明,等效的12 V / 6.8 W SMPS(简单地通过Vout 1和Vout 2线连接负载)符合关闭模式下的ErP Lot 6 Tier 2要求(与ER 1275相同) 2008)和欧洲CoC第五版本设想的10%负载效率目标。eVY电子头条

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表4:STEVAL-ISA174V1的轻载性能eVY电子头条

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STEVAL-ISA174V1是一个演示板,不包括MCU,因此用户可以通过按钮激活ON和OFF引脚。包括MCU的其他评估套件包括STEVAL-ISA181V1和STEVAL-ISA192V1。eVY电子头条

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图4显示了可以操作引脚ON和OFF的两种方式示例。eVY电子头条

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通过安排(a),监督器具操作的MCU通过其一个GPIO引脚拉低OFF引脚电压来关闭SMPS,同时切断其自身的电源电压。重启由用户按下的按钮或触觉开关指令,直接操作引脚ON。在SMPS再次启动并运行后,MCU唤醒。这种布置提供了电力线的最小消耗。eVY电子头条

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通过(b)的配置,MCU通过拉低引脚电压来关闭SMPS,并通过拉低引脚电压将其唤醒。使用了两个GPIO引脚。MCU(额定3.3 V电源电压)也在ZPM期间供电,因此必须配备先进的电源管理功能,例如具有快速唤醒功能的超低功耗待机模式。这种安排在评估套件STEVAL-ISA192V1中实现。eVY电子头条

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(a)手动开启的自动ZPM  eVY电子头条

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(b)ZPM由MCU完全管理eVY电子头条

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图4:使用MCU和触摸按钮进行ZPM管理的示例(为清楚起见未删除)eVY电子头条

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结论eVY电子头条

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如今,电源装置需要更复杂的方法来提高性能,以满足节能法规提高效率的要求。eVY电子头条

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ST的VIPerPlus高压转换器结合了800 V雪崩坚固的电源部分,最先进的PWM控制电路,先进的技术和巧妙的电源架构,以满足必须连接的智能家用电器中日益高效的电力需求具有高级用户界面。eVY电子头条

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VIPer01应用证明了满足最严格的连续家用电器能源法规是多么容易。另一方面,VIPer0P应用程序演示了如何构建一个易于与MCU交互的智能备用架构,以降低定期家用电器的电源材料成本。eVY电子头条

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结果是SMPS设计满足最苛刻的节能法规和更多:高可靠性,灵活性和最少的元件数量。eVY电子头条