线性稳压器危机四伏,考虑开关模式电源替代方案

在经济变暖的大背景下，能源保护问题在任何和平时期的经济上从来没有象今天这么严重过。随着原油价格超过每桶 60 美元（卡特立娜飓风曾使之飙升至 70 美元以上），各国政府都紧张地关注自己的能源储备问题。显然矿物燃料总有耗尽的一天，而由于政治原因，依赖核裂变的替代性海量生成技术永远不会实现大众化。各国认识到像风能和潮汐能那样的可持续资源不足以填补能源增长的空白，于是各个经济实体纷纷将长期的能源供给信心寄托于核聚变上，如欧盟、韩国、日本、中国、俄罗斯以及美国，于是这些国家一起投资了一个数十亿美元的ITER 项目（拉丁文的含意是“出路”）。
在这些措施紧锣密鼓进行的同时，我们能做的就是采取紧迫的节能措施，其中一些措施已经出现在法令全书中。现在，诸如北美的能源之星(Energy Star)以及欧盟和澳大利亚的类似动议都还是自发的。但鉴于 2003 年横扫美国大陆的断电事故，以及对电力供应的类似威胁，一些像加州能源委员会（CEC）这样的机构正在推出各种节能措施，这些措施对家电与设备制造商都会造成性反响（见附文“全世界对能源浪费的猛醒”）。大多数动议首要关注的问题是降低待机能耗，从只消耗几个 VA 的手机充电器直到数千瓦的服务器群。在较低能耗端，开关电源实际是强制性满足能效目标，在大量应用中有效地扼杀了线性电源的生存空间。因为现在要把所有设备的功耗降低到节能动议的要求是不现实的，例如那些所谓“Silver-box”（银盒）电源，因此对低功耗辅助电源也有很大的需求。
但无论是 PC、“壁瘤”或几乎所有消费电器与办公设备，它们都有一个共同思路，即需要尽可能高效地通过交流线实现少许能量的转换，而且成本还要尽可能低。研究过这个问题的人都知道，要在成本与效益之间达到平衡是很困难的。磁性元件价格不低，离线电源很容易成螺旋形上升下降，这除了经济原因外还必须借助于象防浪涌器件那样大量的支持电路。此外，还必须强制性地符合 EMC 规范，这是一个十分重要的过程，半导体厂商随着自己的应用实例而逐渐熟悉它。
非隔离式电源 IC
制造非隔离式离线电源的传统方法是将电阻器和电容器串联构成一个 RC 降压电路（见附文“剖析”）。电路通过电容器的作用，将电压与电流作 90°相移，电容器就能作为无损耗电阻器而工作在理想状态。让我们回忆一下为早期收音机供电的电子管加热器，在英国的 Vintage Radio 网站上，它与计算元件的 Excel 电子表一起被列为杰出的技术进步。今天，这一电路的各种变形出现在各种白色家电上，如洗衣机控制器等，但它们的非载荷效率很差，因为为微控制器或其他敏感元件稳定供电需要用齐纳旁路稳压器。电容器的尺寸与电阻器的功耗也限制了这种电路的功耗，在现代设计中它的典型耗电不大于 30 mA，相关实例可见飞利浦半导体公司的应用注释（参考文献 1）。
在电流只有数 mA 的情况下，在一个不太明显的离线降压电路实例中（图1）省去稳压步骤可以获得尺寸、成本与效率的好处。本例是一个数字温度设置点控制器的前端，运放与电阻器桥在交流电路上构成一个阻性分压器的下臂。可熔电阻器R1与半波整流器 D1 将电流引入滤波电容器 C1，为双运放和辅助电路供电，以便控制三端双向可控硅。测量显示，非载荷电流约为 1mA，当驱动级（图中未画）脉冲式驱动三端双向可控硅栅极时，电流上升至约 3mA平均值。可控硅在电路工作时导通，在待机状态时关闭，从而获得 66% 的效率，在此期间，模拟 Vcc 电压会从 21V（待机状态）降至 13V（工作状态），这对大多数模拟电路而言足够了。

需要稳压和需要类似于多数 RC 降压电源的功率电平的非隔离式电路可得益于 Supertex公司独有的 SR03x 芯片。该类器件为 8 管脚 3.3V 或 5V 稳压输出，是一种通用输入、无电感、双输出电源，适宜高达 1.5W 的应用（图 2）.未经稳压的线路电压标称为 12V，如果用一只齐纳管将芯片的接地浮动，就能够将输出电压任意设为接近输入电平。使用带散热片的 SO-8 封装时，稳压输出时芯片可以提供高达 30mA 的电流，以及用欧洲电源在非稳压线路上可实现50mA 的电流，或从 120V/60Hz 输出 100mA。该公司的欧洲销售经理 Nic Houslip 解释说，SR03x 在工作时从一个桥式整流器获得未过滤直流电压，并供给自己的内部电源。然后芯片作为一个普通的线性稳压器，用一个比较器控制未稳压的线路，当输入线路电压低于约 45V 时使外接的IGBT 或 N 沟道 MOSFET 导通，高于此电平时则关断。因此，确定电路所需的存储电容器有足够容量值非常重要，典型的选择范围为 100F 至 470mF。

Houslip 指出，当使用该公司的 GN2470 时，效率约为 40%，因为IGBT 与其竞争产品 MOSFET相比， 正向压降更低。由于 IGBT 比 MOSFET 慢，因而可以省掉导通器件栅极电路中可选的 RC 滤波器，该电路能抑制 EMI。省掉电感可以节约不少成本。与主要批发商以及目录供应商提供的数据相类似，电源预计价格建议电源的材料成本约为 1.40 欧元。作为比较，采用 Supertex HV9910 和三只电感将交流电压作二次降压转换，从而获得一个恒流供给大功率 LED，该设计的成本约为 4 欧元，其中电感就占 1.77 欧元。该设计（Supertex 提供 HV9910DB5 演示板）来自于准备在中国进行生产的一个客户，因为在中国电感十分便宜