CN113067456B - 一种基于自供电技术降低待机功耗的方法及应用 - Google Patents

一种基于自供电技术降低待机功耗的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.上电启动控制芯片，控制芯片通过光耦反馈信号FB，可以判断输出负载状况；S2.启动工频周期Tac计时；判断Tac计时是否达到设定值；S3.计算Tac时间内的输入功率平均值Pavg；S4.Pavg分别和Pstdin，Pstdout做比较；根据判断结果选择关闭或启动控制芯片内部的模拟线路，调整Vbur电压。其优点在于，在不改变瞬态响应速度的前提下，可以大幅降低待机模式的芯片消耗，保证自供电维持芯片自身消耗，满足高能效标准中的待机功耗要求。

Description

一种基于自供电技术降低待机功耗的方法及应用
技术领域
本申请属于开关电源控制领域，具体为一种基于自供电技术降低待机功耗的方法及应用。
背景技术
常规的开关电源需要外加辅助绕组来给控制芯片提供电源，而自供电技术则是在不损失开关电源转换效率的前提下，当开关导通时利用变压器励磁电感的部分能量实现对控制芯片的补充供电，可以省略辅助绕组。所谓自供电技术，即在PWM开通后的Tauto时间给外部VCC电容供电。在系统处于轻载或者待机时，由于PWM周期变长，PWM开通时间变短，Tauto时间变短，所以在PWM开通后的Tauto时间内提供的电流无法平衡控制芯片自身消耗的电流，造成自供电不足，控制芯片无法正常工作。所以，如果不在轻载或待机时降低控制芯片自身消耗电流，自供电技术则达不到预想的效果。
发明内容
基于上述问题，本申请提供一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，可以在不改变瞬态响应速度的前提下，大幅降低待机模式的芯片消耗，保证自供电维持芯片自身消耗，满足高能效标准中的待机功耗要求。其技术方案为，
一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，包括以下步骤：
S1.上电启动控制芯片，控制芯片通过光耦反馈信号FB，可以判断输出负载状况；
S2.启动工频周期Tac计时；判断Tac计时是否达到设定值；
S3.计算Tac时间内的输入功率平均值Pavg；
S4.Pavg分别和Pstdin，Pstdout做比较；根据判断结果选择关闭或启动控制芯片内部的模拟线路，调整Vbur电压。
优选的，所述控制芯片包括Tac计时器、均值器，所述均值器分别与比较器CMP1、比较器CMP2的电性相反的端子连接，所述比较器CMP1、比较器CMP2分别与RS锁存器连接，所述RS锁存器分别通过控制开关K2、K3与比较器CMP3一端连接，比较器CMP3另一端通过电阻RFB接地。
优选的，上电启动成功信号，启动Tac计时器，同时均值器记录PWM的个数，当Tac时间到达时，Tac计时器输出EN_AVE信号，送入均值器，均值器通过Tac时间内的PWM个数来计算输入功率均值信号Pavg，并送入比较器CMP1和CMP2，PWM个数较多，说明负载较重，PWM个数较少，说明负载较轻；根据比较结果通过RS锁存器产生stdby信号，控制开关K2和K3的通断来控制进入打嗝状态的VFB门槛值，最后通过比较器CMP3输出停止PWM输出信号PWMOFF，进入打嗝状态。
优选的，控制芯片消耗电流Ivcc包括控制电路消耗的电流Ictrl和光耦反馈电流Iopc，即
Figure BDA0003003094160000021
其中RFB为光耦反馈信号FB对地之间所接电阻，VFB为光耦反馈电压。
优选的，当负载增加时，Tac周期内PWM个数变多，检测到工频周期的平均输入功率Pavg>Pstdout时，退出待机模式，进入正常模式，激活控制芯片的模拟电路，并改变进入打嗝状态的FB门槛电压Vbur＝Vnor。
优选的，当检测到工频周期的平均输入功率Pavg<Pstdin时，进入待机模式，关闭控制芯片的非工作状态的模拟电路，同时将进入打嗝状态的FB门槛电压降低至Vbur＝Vstd；待机模式中VFB在工频周期的平均值就会稳定在Vstd附近，大幅度降低了电流Iopc，减小了待机时的控制芯片总电流消耗。
优选的，正常工作模式下，当负载变轻，VFB电压升高，此时Vbur＝Vnor；当VFB>Vbur时，停止PWM输出，进入打嗝状态。
一种基于上述方法的反激式开关电源，包括控制芯片、功率开关K1和变压器T1，所述控制芯片通过开关K1与变压器T1的初级线圈连接，所述变压器T1的次级线圈上设有电容C2和负载电阻RL，所述电容C2和负载RL并联，控制芯片与反馈回路中的光耦连接，控制芯片根据光耦信号FB、Rcs电流检测信号CS来产生信号PWM，用于控制K1的导通和关断。
优选的，所述反馈回路包括光耦，所述光耦输入端与电阻R4并联，所述电阻R4一端通过R3与次级整流二极管D2的阴极连接，所述次级整流二极管D2与变压器T1连接，电阻R4另一端分别与R5和可控精密稳压源的阴极连接，所述电阻R5与电容C4串联，所述电容C4分别与电阻R2、R1连接，所述可控精密稳压源的参考端与电阻R2、R1连接，阳极与电阻R2的另一端连接。
优选的，所述变压器T1的初级线圈通过变压器漏感Lr与二极管D1连接，所述二极管D1分别与电阻R6、电容C3连接，所述电阻R6电容C3并联。
有益效果
本专利发明了一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，在不改变瞬态响应速度的前提下，可以大幅降低待机模式的芯片消耗，保证自供电维持芯片自身消耗，满足高能效标准中的待机功耗要求。
附图说明
图1为本申请方法流程图；
图2为控制芯片内部电路图；
图3为自供电技术的控制芯片消耗电流图；
图4为采用本申请方法控制芯片内部电源VCC与PWM关系图；
图5为不采用低待机方法控制芯片内部电源VCC与PWM关系图；
图6为采用本申请方法自供电技术的反激式开关电源原理图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示，一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，包括以下步骤：
一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，包括以下步骤：
S1.上电启动控制芯片，控制芯片通过光耦反馈信号FB，可以判断输出负载状况；所述控制芯片包括Tac计时器、均值器，所述均值器分别与比较器CMP1、比较器CMP2的电性相反的端子连接，所述比较器CMP1、比较器CMP2分别与RS锁存器连接，所述RS锁存器分别通过控制开关K2、K3与比较器CMP3一端连接，比较器CMP3另一端通过电阻RFB接地。
S2.启动工频周期Tac计时，同时均值器记录PWM的个数，
判断Tac计时是否达到设定值；达到设定值进入S3；没有达到，等待工频周期Tac计时器到达。
S3.当Tac时间到达设定值时，Tac计时器输出EN_AVE信号，送入均值器，均值器通过Tac时间内的PWM个数来计算输入功率均值信号Pavg，并送入比较器CMP1和CMP2，当PWM个数较多，说明负载较重，PWM个数较少，说明负载较轻；根据比较结果通过RS锁存器产生stdby信号，利用控制开关K2和K3的通断来控制进入打嗝状态的VFB门槛值，最后通过比较器CMP3输出停止PWM输出信号PWMOFF，进入打嗝状态。
S4.Pavg分别和Pstdin，Pstdout做比较；如果Pavg小于Pstdin，stdby的信号置1，此时关闭非工作状态下的模拟电路，且Vbur＝Vstd；如果Pavg大于Pstdin，stdby的信号清0，此时激活所有模拟电路，且Vbur＝Vnor；若Pavg在Pstdin与Pstdout之间，stdby保持现有状态不变；判断结束后重新启动工频周期Tac计时器。
S5.依次循环完成自供电技术降低待机功耗的目的。
图2所示，控制芯片实现信号输出的控制电路，POR为上电启动成功信号，当POR＝1时，启动Tac定时器，同时均值器记录PWM的个数，当Tac时间到达时，Tac计时器模块输出EN_AVE信号，送入均值器，均值器通过Tac时间内的PWM个数来计算输入功率均值信号Pavg，并送入比较器CMP1和CMP2，当PWM个数较多，说明负载较重，PWM个数较少，说明负载较轻。根据比较结果通过RS锁存器产生stdby信号，控制开关K3和K2的通断来控制进入打嗝状态的VFB门槛值，最后通过比较器CMP3输出停止PWM输出信号PWMOFF，进入打嗝状态。
控制芯片通过光耦反馈信号FB，可以判断输出的负载状况。图3为基于自供电技术的控制芯片待机模式消耗电流图，主要由两部分构成，一是控制电路消耗的电流Ictrl，二是光耦反馈中电阻RFB消耗的电流Iopc(光耦反馈电流)，即：
Figure BDA0003003094160000041
在待机模式时，为了保证自供电提供的电流仍可以维持芯片的消耗电流，必须减小Ivcc。可以通过增加RFB电阻减小Iopc；但是增加RFB会减缓反馈环路的响应速度。由于反馈速度变慢，负载由待机切换到重载时，会有较大的输出电压下冲；无法满足某些对瞬态响应有较高性能要求的应用场合。由上式可知，当输出负载减小时，光耦反馈电流Iopc增加，VFB电压升高。降低待机模式的VFB的平均电压值，即可以大幅减小电流Iopc。为此，本专利提出基于自供电技术降低待机功耗的方法效果如图4所示。当进入待机模式，stdby＝1后，稳态时，VFB稳定在Vstd附近，降低了光耦消耗电流，使得VCC下降斜率变缓，能保证VCC维持在VCC_L和VCC_H之间。
正常工作模式下，当负载变轻，VFB电压升高，取Vbur＝Vnor，Vnor可取值为0.8*VCC，当VFB>Vbur时，停止PWM输出，进入打嗝状态。
当检测到工频周期的平均输入功率Pavg<Pstdin时，Pstdin可取值为最大输入功率的1％，进入待机模式，stdby＝1。关闭控制芯片的大部分模拟电路，使Ictrl<10uA，同时将进入打嗝状态的FB门槛电压降低至Vbur＝Vstd，Vstd可取值为0.1*Vnor。待机模式中VFB在工频周期的平均值就会稳定在Vstd附近，所以大幅度降低了电流Iopc，为正常工作模式时的十分之一，减小了待机时的总电流消耗。
当负载增加时，检测到工频周期的平均输入功率Pavg>Pstdout时，Pstdout可取值为1.2*Pstdin，退出待机模式，stdby＝0，进入正常模式。激活控制芯片的模拟电路，并改变进入打嗝状态的FB门槛电压Vbur＝Vnor。
图5为不采用低待机方法控制芯片内部电源VCC与PWM关系图；VCC_H为芯片正常工作的最高电压，VCC_L为芯片正常工作的最低电压。当负载处于重载时，光耦电流Iopc较小，FB电压VFB较低，PWM开通时间较长，控制芯片内部有足够的时间使得VCC上升至目标值VCC_H，并且VCC放电时间短，能保证VCC一直大于VCC_L；当负载变轻时，光耦电流Iopc较大，FB电压VFB变高，PWM开通时间变短，当PWM关断时，VCC还未上升至VCC_H，加上此时PWM周期变长，VCC放电时间变长，VCC会维持在较低工作电压；当负载继续变轻，到了轻载区，光耦电流Iopc继续变大，FB电压VFB继续变高，VCC会继续降低，如果对此区域不做特殊处理，那么自供电提供的电流无法维持VCC消耗的电流，VCC就会降低至VCC_L以下。因此在使用自供电技术的同时，需要在轻载或待机时采用有效降低功耗的方法。
图6为采用本申请方法的自供电技术的反激式开关电源原理图。由变压器T1，功率开关管K1、控制芯片、漏感吸收回路、反馈回路、次级整流二极管，次级储能电容C2和负载RL组成。C1为K1两端等效电容，Lm为变压器初级侧励磁电感，Lr为变压器漏感，Rcs为检测初级侧电流用采样电阻，Vin为输入电压，Vout为输出电压，ILm为变压器初级侧励磁电感电流，ILr为漏感电流，Iout为输出电流。
所述控制芯片分别与反馈回路中的光耦、变压器T1连接，所述变压器T1与控制芯片之间设有功率开关K1，所述功率开关K1两端接等效电容C1，所述反馈回路包括光耦，所述光耦输入端与电阻R4并联，所述电阻R4一端通过R3与次级整流二极管D2的阴极连接，所述次级整流二极管D2与变压器T1连接，电阻R4另一端分别与R5和可控精密稳压源的阴极连接，所述电阻R5与电容C4串联，所述电容C4分别与电阻R2、R1连接，所述可控精密稳压源的参考端与电阻R2、R1连接，阳极与电阻R2的另一端连接。
漏感吸收回路包括电阻R6、电容C3和二极管D1，所述变压器T1的次级线圈上设有电容C2和负载电阻RL，所述电容C2和负载RL并联；变压器T1的初级线圈通过变压器漏感Lr与二极管D1连接，所述二极管D1分别与电阻R6、电容C3连接，所述电阻R6、电容C3并联。
反馈回路检测输出电压Vout，并输出FB信号送入控制芯片，控制芯片根据FB信号、Rcs电流检测信号CS来产生信号PWM，用于控制K1的导通和关断。
表1文中各符号含义
Figure BDA0003003094160000061
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.上电启动控制芯片，控制芯片通过光耦反馈信号FB，可以判断输出负载状况；所述控制芯片包括Tac计时器、均值器，所述均值器分别与比较器CMP1、比较器CMP2的电性相反的端口连接，所述比较器CMP1、比较器CMP2分别与RS锁存器连接，所述RS锁存器分别通过控制开关K2、K3与比较器CMP3一端连接，比较器CMP3另一端通过电阻RFB接地；
S2.启动工频周期Tac计时，判断Tac计时是否达到设定值，同时均值器记录PWM的个数；
S3.计算Tac时间内的输入功率平均值Pavg；
S4.Pavg分别和Pstdin，Pstdout做比较；根据判断结果选择关闭或启动控制芯片内部的模拟线路，调整Vbur电压；
控制芯片消耗电流Ivcc包括控制电路消耗的电流Ictrl和光耦反馈电流Iopc，即
Figure 287029DEST_PATH_IMAGE001
其中RFB为光耦反馈信号FB对地之间所接电阻，VFB为光耦反馈电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，其特征在于，上电启动成功信号，启动Tac计时器，同时均值器记录PWM的个数，当Tac时间到达时，Tac计时器输出EN_AVE信号，送入均值器，均值器通过Tac时间内的PWM个数来计算输入功率均值信号Pavg，并送入比较器CMP1和CMP2，PWM个数较多，说明负载较重，PWM个数较少，说明负载较轻；根据比较结果通过RS锁存器产生stdby信号，利用控制开关K2和K3的通断来控制进入打嗝状态的VFB门槛值，最后通过比较器CMP3输出停止PWM输出信号PWMOFF，进入打嗝状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，其特征在于，当负载增加时，Tac周期内PWM个数变多，检测到工频周期的平均输入功率Pavg>Pstdout时，退出待机模式，激活控制芯片的模拟电路，并改变进入打嗝状态的FB门槛电压Vbur=Vnor。
4.根据权利要求1所述的一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，其特征在于，当检测到工频周期的平均输入功率Pavg<Pstdin时，进入待机模式，关闭控制芯片的非工作状态的模拟电路，同时将进入打嗝状态的FB门槛电压降低至Vbur=Vstd；待机模式中VFB在工频周期的平均值就会稳定在Vstd附近，大幅度降低了电流Iopc，减小了待机时的控制芯片总电流消耗。
5.根据权利要求1所述的一种基于自供电技术降低待机功耗的方法，其特征在于，正常工作模式下，VFB电压较低，当负载变轻，VFB电压升高，此时 Vbur=Vnor；当VFB>Vbur时，停止PWM输出，进入打嗝状态。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述方法的用途，该方法应用于反激式开关电源，包括控制芯片、功率开关K1和变压器T1，所述控制芯片通过开关K1与变压器T1的初级线圈连接，所述变压器T1的次级线圈上设有电容C2和负载电阻RL，所述电容C2和负载RL并联，控制芯片与反馈回路中的光耦连接，控制芯片根据光耦信号FB、Rcs电流检测信号CS来产生信号PWM，用于控制K1的导通和关断。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述反馈回路包括光耦，所述光耦输入端与电阻R4并联，所述电阻R4一端通过R3与次级整流二极管D2的阴极连接，所述次级整流二极管D2与变压器T1连接，电阻R4另一端分别与R5和可控精密稳压源的阴极连接，所述电阻R5与电容C4串联，所述电容C4分别与电阻R2、R1连接，所述可控精密稳压源的参考端与电阻R2、R1连接，阳极与电阻R2的另一端连接。
8.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述变压器T1的初级线圈通过变压器漏感Lr与二极管D1连接，所述二极管D1分别与电阻R6、电容C3连接，所述电阻R6、电容C3并联。
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