本文介紹如何降低隔離式DC-DC電源的低電流消耗水平，以及如何在空載條件下提高這些電源的性能。對當今對創新“綠色”解決方案的需求很敏感，討論特別關注延長電池供電電子設備和不連續傳輸通信系統設備的電池壽命的方法。

如今，許多工業系統采用電池供電的傳感器和應答器來消除昂貴的電纜安裝并降低整體系統功耗。這些工業系統通常具有活動模式和待機模式。在主動模式下，傳感器將數據傳送到應答器（無線電調制解調器），后者將數據傳輸到主機系統。在待機模式下，應答器和傳感器在固定或可變的時間段內進入睡眠狀態。這種啟動和停止操作（通常稱為不連續操作模式）可最大限度地延長設備的電池壽命。

對于像澆水系統這樣的應用，利用GSM無線電模塊作為傳感器，如果每隔幾天甚至每隔幾周更換一次為GSM無線電供電的電池，維護成本就會很高。由于這種系統大部分時間都處于待機或睡眠模式，因此在沒有活動發生時最大限度地減少電池的功耗將大大有助于延長電池壽命。在該系統中，空載靜態電流成為關鍵的設計考慮因素，出于安全考慮，電氣隔離是設計的一個重要方面。

為了解決這些問題，設計人員必須專注于DC-DC轉換器的設計，以確保其在空載條件下消耗盡可能少的電流。所有 DC-DC 轉換器，即使在待機期間，也會消耗大量靜態電流。例如，一個商用電源模塊（RECOM? R-78A3.3-1OR）在空載條件下消耗約7mA電流。但是，通過對拓撲結構和精心設計的關注，可以實現空載電流消耗小于1mA的隔離式DC-DC轉換器模塊。

30倍的電流消耗差異可以轉化為減少電池更換。例如，即使系統的電池是可充電的，如果使用更高的漏電流電源，也可能需要額外的充電周期。此外，經常充電的電池會更快地磨損并最終進入垃圾填埋場。同樣，如果設備使用一次性電池，它們將以更高的待機電流更快地放電，并更頻繁地被丟棄。

雖然有幾種方法可以應對這一挑戰，但本文著眼于使用脈沖頻率調制（PFM）來實現器件開啟和待機狀態之間1700：1的比率。

系統特性

典型功耗與時間的關系如圖 1 所示。此處，負載電流在工作或主動充電期間尖峰，然后在器件空閑時下降。空閑電流，IZ，必須最小化以減少電池消耗并延長電池壽命和待機時間。因此，隔離式DC-DC轉換器在未連接負載時需要超低電流消耗，并且還應提供輸入到輸出的高隔離度。理想情況下，轉換器還應提供高轉換效率和小尺寸。

圖1.具有不連續傳輸的通信設備的開機和待機狀態之間的關系。

表 1 中列出的典型商用 DC-DC 轉換器在無負載連接時顯示 7mA 至 40mA 的輸入電流，輸入為 12V。這些轉換器傳統上采用脈寬調制（PWM）控制器。但是，PWM控制器始終具有有源振蕩器，即使在沒有負載的情況下也是如此，并且該振蕩器不斷從電池中吸收電流。

表 1.商用DC-DC轉換器的特性

制造者	型	VIN (V)	VOUT (V)	IOUT (A)	IIN (IOUT = 0, mA)	η (%)	Isolation
Traco? Electronic AG	TEN 5-1210	12	3.3	1.2	20	77
XP Power	JCA0412S03	12	3.3	1.2	38	83
RECOM International Power	RW-123.3S	12	3.3	0.7	21	65
C&D Technologies?	HL02R12S05	12	5	0.4	40	60
Bourns? Inc.	MX3A-12SA	12	3.3	3.0	11	93
RECOM International Power	R-78A3.3-1	12	3.3	1.0	7	81

PFM 控制器拓撲

另一種方法是使用采用脈沖頻率調制 （PFM） 控制器的 DC-DC 轉換器。 PFM 控制器使用兩個單觸發電路，僅當負載從 DC-DC 轉換器輸出漏出電流時才工作。PFM 基于兩個開關時間（最大導通時間和最小關斷時間）和兩個控制環路（一個電壓調節環路和一個最大峰值電流關斷時間環路）。

PFM還具有可變頻率的控制脈沖。控制器中的兩個單脈沖電路定義了 T上（最大導通時間）和 T關閉（最短休息時間）。The T上單次電路激活第二個單次電路，T關閉.每當電壓環路的比較器檢測到V外是超出規定的，T上單次電路被激活。脈沖的時間固定到最大值。如果最大峰值電流環路檢測到超過電流限值，則可以縮短此脈沖時間。

PFM控制器的靜態電流消耗僅限于偏置其基準電壓源和誤差比較器所需的電流（10s的μA）。相反，PWM控制器的內部振蕩器必須連續導通，導致電流消耗為幾毫安。本文介紹的實現方案通過使用PFM控制器拓撲將電流消耗保持在1V以下。

澆水系統等現場系統必須承受惡劣的環境，因此這些系統中的DC-DC轉換器應進行電氣隔離。變壓器提供隔離，但挑戰在于在不破壞隔離的情況下將基準電壓源從次級側反饋到初級側。最常見的方法是使用輔助繞組或光耦合器來解決問題。

電源拓撲是一種降壓方法;應用使用的電池組的標稱電壓為12V，而系統中的內部電子電路的工作電壓為標稱值為3.6V。圖 2 顯示了 DC-DC 開關穩壓器的原理圖，表 2 中提供了帶有元件值的物料清單。當控制環路調節電壓時，光耦合器需要恒定電流通過變壓器初級側的LED。電流的下限由光耦合器的CTR在低偏置電流下（63mA時為10%，22mA時為1%）和響應時間的縮短（2mA時為20μs，6mA時為6.5μs）固定。

圖2.隔離式 PFM 反激式 DC-DC 轉換器原理圖

表 2.PFM 反激式 DC-DC 轉換器的組件物料清單

輸出電壓分壓器（由電阻R5和R11形成）的電流消耗固定為7μA。因此，基準輸入所需的0.5μA電流加上其熱偏差不會顯著影響輸出電壓。此外，由于輸入電容低，分壓器輸出端測得的電壓不會受到相關延遲的影響。后一個事實排除了使用容性分壓器來降低精密基準輸入電容的需要。在光耦合器中，光電晶體管消耗60μA （|我FB|< 60nA），這意味著流過LED的電流小于230μA （CTR ~26%）。

掌控一切

為了實現PFM控制器，可以使用MAX1771 BiCMOS升壓開關模式電源控制器（U1）提供必要的時序。MAX1771比以前的脈沖跳躍控制方案有所改進：由于開關頻率為300kHz，所需電感尺寸更小;限流PFM控制方案在很寬的負載電流范圍內實現了90%的效率;最大電源電流僅為 110μA。除這些優點外，MAX1771在非隔離應用中的主要特性還包括：90%的效率，負載電流范圍為30mA至2A;高達24W的輸出功率;輸入電壓范圍為 2V 至 16.5V。

電壓控制回路的電阻被選擇為具有盡可能高的值。該決定代表了電流消耗和環路穩定性之間的權衡。因此，通過分壓器的電流小于7μA。由于濾波電容不理想，因此必須將電容漏電流添加到該電流中。在該設計中，C5和C8中的濾波電容漏電流小于20μA。如果需要更低的漏電流，這些電容可以升級為具有以下特性的陶瓷電容器：100μF、6.3V、X5R 和 1206 尺寸 （Kemet C1206C107M9PAC）。使用陶瓷電容器可將電容器泄漏減少到幾微安。但請注意，陶瓷電容器的成本約為鉭電容器的3倍，這種差異會增加系統成本。

圖3顯示了PFM DC-DC轉換器原型，其靜態電流僅為0.24mA。該板的尺寸小于 50mm x 30mm，可在 3V 至 6V （標稱值為 10V） 的輸入電壓范圍內提供 15.12W 的功率，工作在 300kHz 的開關頻率。該轉換器可提供 1A 的最大恒定輸出電流，同時提供 3.6V 的穩壓輸出。采用具有電流和電壓反饋控制的反激式拓撲（降壓），轉換器輸出與輸入電氣隔離。

圖 3.用于無線應用的 DC-DC PFM 轉換器原型的俯視圖。

該原型可用于在非連續傳輸模式下運行的各種無線應用。模塊的電流消耗峰值為3A，最大平均電流為1A。為了降低電流峰值并避免它們在無線電性能中產生的問題，使用了參考文獻2和3中描述的技術。此外，一些基本準則建議設計人員應使用具有低串聯電阻的高值電容器。

合格設計性能

為了驗證電源的性能，測量以下參數：輸入電壓，V在;輸入電流，I在;標稱輸出電壓，V外;負載電流消耗，I外;以及電源的效率。表3和表4顯示了測量結果，包括共模輸入濾波器的損耗和保護電路的損耗。同樣重要的是要記住，處理低功率水平的電源不如處理較高負載的電源高效。高負載電源通常是同步的，這有助于降低有源器件中的損耗。

表 3.不同輸入電壓下空載狀態下的電流消耗

采用PFM控制方案的電源的電流消耗已降至0.24mA。但是，由于選擇了組件值，控制回路在某些負載條件下可能會振蕩。為了防止自振蕩，設計人員必須考慮生產環境中組件的各種公差。因此，必須謹慎選擇環路中使用的電阻和電容值。

表 4 提供了電源在各種負載條件下的輸入和輸出參數值。在正常條件下和標稱負載范圍內達到最佳效率。

表 4.不同負載的標稱電壓下的效率

DC-DC 轉換器在空載時的效率表示為零（圖 4），因為無線設備在待機模式下消耗的電流低于 3μA，并參考 6.140V 輸出側。與空載條件下電源輸入電流消耗的0.24mA相比，該電流可以忽略不計。

圖4.輸入標稱電壓 （12V） 下不同負載條件下的電源效率。

圖 5a.無負載時的輸出電壓和控制電壓（10ms/格、CH1 1V/格和 CH2 5V/格）。

圖 5b.0.1A 負載的輸出電壓和控制電壓（20ms/格、CH1 1V/格和 CH2 5V/格）。

圖 5c.0.5A 負載的輸出電壓和控制電壓（20ms/格、CH1 1V/格和 CH2 5V/格）。

圖5a、b、c和d中的波形顯示了各種負載的輸出電壓和控制電壓;隨著負載的增加，開關器件柵極處的控制脈沖變得更加頻繁。轉換器原型顯示了空載、100mA、500mA 和 1A 電流負載下的信號。示波器軌跡以圖形方式說明了PFM控制方案的操作。下部示波器跟蹤按 5 倍縮放，使其更明顯。X 軸表示時間，Y 軸表示電壓。

圖 5d.1A 負載的輸出電壓和控制電壓（20ms/格、CH1 1V/格和 CH2 5V/格）。

總結

最初的行業調查表明，用于空載條件下低電流消耗電源的最佳商用隔離式DC-DC轉換器通常具有約20mA的最小電流消耗。然而，設計人員可以毫不費力地使用 PFM 方案來實現低 IQ，具有市場上最低電流消耗的隔離電源。本文介紹的電源的空載電流消耗僅為0.24mA。

s審核編輯：郭婷