摘要：  无论从电源管理、能量守恒的要求而言，还是为了解决全球温室效应问题，由于全球在用电子设备和电器数量绝对巨大，故减小电源系统在待机状态下的电能消耗，已经成为越来越有意义的课题。因此，全球多个国家和地区纷纷发布了各种各样的节能规范条例，包括待机损耗，以减少能源消耗和提高能源的利用效率，最终达到保护地球环境的要求。本文作者提出了一些有效的技术措施来减少用电设备在轻负载和无负载（空载）状况下的AC-DC开关电源之开关和其它有关的损耗。文章研究和比较了改变开关频率的途径，介绍了减小起动电流和其它工作电流的技术，描述了在实际的产品设计中，如何综合考虑在各种应用场合的最小待机功率消耗。文章最后提出了一种在240Vac输入情况下，只有0.1W待机功率消耗的12V/5A的开关适配器。

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1 引言
在几乎所有采用电功率变换的场合，效率对于长时间工作的设备都是最重要的性能指标。变换效率的表达式如公式(1)所示，即以输出的功率(Pout)除以输入的功率(Pin)：
                        (1)
高效率即意味着具有最佳的功率变换。实际的电源效率之详细技术条件是用100%、75%、50%和25%负载状况下实测的效率来描述表达的。
人们注意到，在输出功率为零时，则效率值将减至零。即在这种状况下是没有消耗电能，电源呈待机状态，输入的功率被全部浪费掉了。众所周知，单个设备的待机功率损耗可能是很小的，但对于长期以来高速增长的电子设备而言，全世界电子设备的拥有量十分巨大，故其总的待机功率损耗是一个非常可观的数量。例如，据有关资料报道称，2000年时，在澳大利亚，其全国家庭消耗的能源中，有11.6%是待机功率损耗买的帐单。如果将其折合成货币，价值超过5亿美元，而其所消耗的电能相当于要产生排放500万吨CO2。
近些年来，减小待机功率损耗的问题引起了遍及全世界各国政府和人们的重视。从2001年1月开始，欧洲经济共同体(European Economic Community—EEC)制定和实施严格的在设备无负载（空载）时功率消耗的规则。表1所示为各个执行阶段EEC的详细规定。美国加利福尼亚洲能源管理委员会(CEC)的Energy Star（能源之星ES）计划及我们中国的待机功率损耗的执行规则见表2所列。它们都是和要求强制性执行的规定十分接近的。在2001年7月的一项美国行政机关的直接指令中，要求联邦各政府对销售和应用中的产品之待机损耗进行检测，必须满足1W以下待机损耗的要求。各洲政府指令立即在所有销售和在用设备中执行这一要求。但是能源之星(ES)的规范只对单路输出且输出功率小于250W的外置电源有此要求。
表 1  EEC关于待机功率损耗的规定
额定输出功率 空载功率消耗
 第一阶段 第二阶段 第三阶段
 2001年1月1日 2003年1月1日 2005年1月1日
0.3W-15W 1.0W 0.75W 0.3W
15W-50W 1.0W 0.75W 0.5W
50W-70W 1.0W 0.75W 0.75W

2 减小待机功率损耗的技术途径
2.1 反激式变换器的功率损耗
由于反激式变换器的制造成本较低并具有很宽的输入电压范围，故它们被广泛地应用于实际的AC-DC变换器中。图1所示为基本型反激式变换器电路。其输出功率Po大致等于贮存在变压器中的功率，即为fs×Lp×Ip2/2。式中的Lp是变压器初级的电感量，Ip=(Vin/Lp)×Ton是变压器初级的峰值电流。输出功率Po可以用下列方程式(2)表达：
                                 (2)
在标准的PWM反激式变换器电路中，Ton应被调制到满足输出负载的需要。而在输出负载上的功率很低或者甚至为零时，则实际的To具有更低的界限，fs是应调制的有用参数。
反激式变换器的主要功率损耗包括：功率级的传导损耗、功率级的开关损耗和由控制电路产生的消耗。对于大部分的传导损耗、开关损耗和控制电路消耗都可以用粗略的估算得出。较低的开关频率对减小与开关有关的损耗始终是有效的措施。为了减小传导损耗，应该使用低损耗的ESR元件。关于减小主要的控制电路消耗，本质上应减小MOS电路要求的驱动功率，这也意味着应该降低开关频率。
3 以降低开关频率减小待机损耗
降低开关频率可以有效地减小功率损耗。最近，为使在轻负载或无负载状况下的功率变换器降低开关频率，人们提出了多种有效的方法。在脉冲跳跃进位技术中，PWM控制器依照负载电平的跳跃来确定输出开关脉冲。图2描述了脉冲跳跃的概念：开关频率被分隔成为满足轻负载或无负载时的低功率消耗的要求，并应在输出负载反回到原始水平时得到恢复。
一旦有开关频率脉冲被遗漏，另外的脉冲输出功率和输出电压将立即减小。随后，即时Ton将通过控制反馈回路相应地增加调节输出电压。在此期间，输出电压低于额定值。再则，即时Ton相对地被扩展了，而跳跃脉冲则被恢复到了原来的状态，输出电压则出现过冲。另外，依照确定的输出负载的不连续门限，跳跃脉冲将变成间歇或嵌入脉冲。但节省的功率不可能从邻近门限中的细微负载变化观测到。
图3描述的技术是触发模式或打嗝模式。在负载减小时候，控制回路要求更短的Ton，在低于额定负载的电平时，触发模式控制着Ton以防止其快速下降和周期性地起动组合PWM脉冲。由此可见，功率变换取决于脉冲束的宽度。依照负载轻重情况，贮存的功率可以从下降的脉冲束长度和（或）增加的组合时间间隔中得到。在触发控制模式中，有两个明显的缺点：存在于组合时间间隔中的调谐低频噪音可能出现，并且，负载的突然变化将引起输出门限的限制。
在轻负载和无负载的两种情况下，调制时间也可以减小功率损耗。图4所示为断开时间调制的概念。在输出负载下降到阀值电平以下，使相应负载减小时，断开时间将逐渐增加。开关频率下降的值被认为是输出功率的函数。因为断开时间是一个周期接着一个周期的，断开时间的调制图（见图4）说明动态响应优于脉冲跳跃和触发模式。
不同的降低工作频率的技术将决定从满载到空载状态的不同开关频率轨迹。图5描述的是每个频率下降图的开关频率轨迹。它应该被解释为，必须注意音频噪声可能升高，而降低了的开关频率将会变为音频频段。
4 降低起动损耗
通常采用的起动电路如图6(a)所示。图中的VSTA是PWM控制器接通时的门限电压，而TD-on是接通的延迟时间，且TD-on=(C1×VSTA)/IC1，增大Rin值可以有效地降低电阻性损耗，但接通的延迟时间将被延长。
图6(b)所示为用Rin电阻减小起动损耗的又一种类型的电路图。Rin的量值是根据C1选择的，C1的量值越小则Rin的量值就越大，以此确保有短的接通延迟时间，而大容量的C2向VDD提供稳定的电压。利用提出的这几种起动损耗研究成果，起动损耗将可被降低很多，而且接通延迟时间也可以保持很短。
先前用半导体制造工艺制造的一种高电压起动开关可以用Rin替代。用开关实施起动和关断，可以很好地缓解损耗和发热产生的矛盾。
5 降低控制电路消耗的功率
PWM控制器是根据双极型晶体管、CMOS和双CMOS等不同的半导体集成工艺实施的，它们也消耗不同数量的功率。集成电路(IC)设计的水平也影响电源的性能。
6 降低反馈损耗
正规灵敏的反馈电路由标度电阻器、TL431和光耦合器组成，其输出地线会持续地消耗功率。初级侧控制技术如图7所示，从辅助绕组消除反馈路径和获得输出电压信息，则反馈损耗化为零，但可能产生的不利影响是使输出电压控制变得粗糙。
7 实验测量
图8所示为一种具有输入范围为90~240Vac的12V/5A的适配器完整电路图。断开时间的调制用PWM控制器在20%负载的开始工作。采用Rin 3M的低损耗起动电路。在没有负载的情况下，fs从2到8kHz降低为音频噪声的强迫振动，其待机功率仅为0.1W。一些关键的测量数据见表3所列。
表 3  样机电路的测量数据
Vin(Vac) Io(A) Vo(Vdc) Pin(W) fs(kHz)
240 0.0 12.01 0.1 2-8
240 0.042 12.01 0.88 8.06
240 1.0 12.01 7.2 8.06
240 5.0 11.83 69 51.0

8 结论
在这篇文章中，强调指出了关于降低待机功率损耗的重要意义，调研分析了降低AC-DC开关电源待机功率消耗的主要途径。待机损耗中主要的传导损耗，开关损耗和控制电路损耗是用数字方法估算得出的。开关频率作为降低待机功率的关键参数已被验证，并提出了降低开关频率的技术，也给出了低电阻性的起动电路。最后，以一种仅仅存在0.1W待机功率的离线12V/5A适配器说明了上述探讨与实验的结果是正确的。
参考文献
[1] R. Erickson， D. Maksimovic， Fundamentals of Power Electronics， 2nd ed.， 2001 Kluwer Academic publishers.
[2] C. L. Chen， G. Y. Lin， T. Y. Yang. Reducing standby power of AC-DC switching power supply. International Integrated Circuit Seminar 2003， China.
[3] C. L. Chen. Reduce standby power loss. Invited talk at Taiwan Power Forum 2003， Taiwan.
[4] US patent 5，745，352，1998，SGS-Thompson.
[5] US patent 6.396，252，2002，National Semiconductor.
[6] US patent 5.568，044，Micrel.
[7] US patent 5.747，977，Micro Linear.
[8] US patent 4.937，728，1998，Philips Electronics.
[9] US patent 5.689，407，1998，Philips Electronics.
[10] US patent 5.812，383，1998，Philips Electronics.
[11] US patent 5.995，384，1998，Philips Electronics.
[12] US patent 6.188，587，Samsung.
[13] US patent 6.212，079，Power Integrations.
[14] US patent pending 09/931，641，System General.
[15] US patent pending 09/931，639，System General.
[16] US patent pending 10/065，531，System General.
（编译自电源网）