超低電流隔離型開關電源設計挑戰

　在非連續傳輸的通信系統中，開關電源常常需要工作在一個相互矛盾的條件下，即要求輸入和輸出之間保持較高的隔離度和靜態電流極低的待機模式。由于工作狀態下消耗的功率遠遠高于待機功耗，這樣的組合要求增大了設計難度。由于需要在隔離和低功耗之間進行折衷，目前商用化的電源模塊幾乎都不能滿足這樣的要求。

　　本文討論了對一款用于無線通信設備的隔離型開關電源的測試結果，電源輸入電壓為12V，輸出3.6V，具有目前市面上最低的靜態電流。這款電源是為EGSM、WiFi和ZigBee通信模塊設計的，其遠端控制功能可以在惡劣環境下用于電機激勵和電子檢測。

　　無線通信在過去5年發生了突飛猛進的增長，并將繼續保持增長勢頭。除了GSM和3G移動通信系統，基于IEEE無線標準802.xx1各種版本的Bluetooth、WiFi、Winmax和ZigBee等新興通信技術也在不斷發展。目前，包括小型無線監測和控制設備在內的監控需求越來越多，這樣的設備必須滿足苛刻的尺寸和功率要求。為了滿足這些要求，集成供應商必須通過高度集成的芯片來降低系統尺寸2和功耗3,4。

　　無線設備供電電源的一項重要指標是延長電池的使用壽命，主要設計目標是在保證無線通信系統性能的前提下降低功耗。綜合上述條件，需要考慮以下設計特點：

非連續收發；
電源濾波或穩壓；
高效電路拓撲。
　　上述第一個特點取決于傳輸系統，第二個要求可以通過開關電源實現，而第三個要求則由開關電源本身的功耗決定，另外還需要盡可能減小待機功耗。因此，通過上述三個特點對系統進行優化設計。

　　非連續收/發

　　因為無線系統中，發送器和接收器耗電最大，很多設備采用了非連續發送/接收方案，以優化通信鏈路的空間接口資源和效率。由于無線通信單元不時連續工作，有利于降低整體功耗。

　　另一方面，非連續傳輸會在電源中引入較大的電壓紋波和電流峰值5。偏置電壓的穩定性會直接影響收發器的性能，電源電壓的跌落將大大降低射頻電路的工作指標，從而很難滿足通信設備的規格要求。系統由蓄電池供電時，電池壽命和放電特性對負載的峰值電流也非常敏感。

　　電源濾波和穩壓

　　電源可以通過一個大電容或其它技術進行濾波（參考文獻6）。電源電壓通過線性穩壓器或開關電源進行調節，穩壓不僅僅可以降低紋波還可以減小EMI，以保持無線設備的工作性能。

　　大功率電源拓撲

　　電源的效率非常關鍵，因此，需選擇最佳拓撲的開關電源。表1列出了常見的商用化DC-DC轉換模塊的，但這些模塊不能滿足我們的目標需求：空載時保持超低功耗。即使是非隔離電源在空載時也會消耗相當大的電流，我們的目標是在空載條件下將電源電流限制在12mA以內，為了達到這一目標，我們把待機電流和靜態電流按以下的方式劃分：

靜態電流是空載下保持穩壓所需的電源電流；
待機電流是當電源不為系統提供穩壓輸出時的電源電流。
　　最后，我們還需要提供隔離，在惡劣環境下為系統可靠工作提供必要的保護。

　　當前技術水平

　　上述討論表明為無線設備設計電源時需要考慮以下問題：

非常低的空載功耗；
隔離；
效率和尺寸。
　　基于上述三個條件，設計高效轉換器時須注意以下三個方面：

隔離；
控制方法；
反饋回路的拓撲。
　　隔離

　　電源的輸入和輸出隔離是通過變壓器實現的，對于逆變和反激拓撲，能量儲存在變壓器電感內，問題是如何提供變壓器次級到原級的反饋。大多數系統通過使用額外的繞組或光耦實現。輔助繞組提高了復雜度，而且在低壓輸出以及負載變化時不能保證足夠精確的輸出電壓。

　　電源系統穩定工作時，光耦需要穩定的電流流過原級LED。為優化系統，需盡可能降低該電流(圖1)。通過減小低電流下光耦的轉移系數(CTR) (10mA時63%，1mA時22%)，并降低光耦速度可以使這個電流達到最小。此外，還需要誤差比較器、精密基準TLV431的電流，使其保持在最小值(Ikmin = 100μA)。

圖1. 輸出分壓電路產生誤差比較器信號，用于隔離圖3所示開關電源。