提升物联网的电源转换效能

作者：Diodes 公司 LED 照明事业部经理 Allan Lin

具备通用输入的高度整合 AC-DC 降压转换器，可在轻度负载期间透过物联网 (IoT) 和智能家庭应用，以低待机功率模式提高装置的能源效率

全世界对物联网和智能家庭中的智能型装置需求爆增，也代表设计人员必须适应各种电源。这些电源也必须应对更广泛的法规。

同时，终端系统的能源效率必须越高越好，进而为电力系统设计带来更大的压力。这并不是能轻易克服的挑战。电源转换器的效率会依据负载而显著变化。在物联网和智能家庭中，装置在待机模式下的大部分时间，都是在轻度负载下运作，而许多转换器在这些轻度负载条件下效率也较低。同样，转换器也必须应对 90V 至 264V 的宽输入电压范围，并在大范围的电流内提供高度稳定的输出，如此的转换器能源效率也往往较低。

图 1：AL17x50 的功能方块图，整合 MOSFET 以减少 BOM 并提高低负载时的效率

现今家庭中的物联网和联机照明系统，都需要在低电压下运作的微型控制器，以及在传输时需要快速大电流的无线连结。使用最新低功耗蓝牙 (BLE)、Zigbee 和 Wi-Fi 通讯协议的无线收发器，常用于将智能型装置 (例如 LED 照明) 连接到手机或家用集线器。这些装置在大多数时间处于静止状态，但从待机模式进行传输或唤醒时，也需要相对较高的峰值电流以及稳定的调节输出电压。这代表系统上的负载范围会很广。

这所有的因素都将成为系统设计人员的主要挑战。虽然电源控制器中的整合可以提供解答，但它也为自己带来了挑战。

通用稳压器

AL17050 与 AL17150 为通用 AC 高电压输入降压稳压器，整合 MOSFET，可提供准确的恒定电压 (CV) 及动态效能，在线路与负载调节时不必使用光耦合器。移除光耦合器，搭配 SOT-25 (AL17050) 和 SO7 (AL17150) 封装，代表设计方面的大幅简化和尺寸的缩小。对于智慧家庭应用中需要在小空间内联机，又无需过多功率消耗的无线节点和 LED 照明来说，效果很好。

此稳压器搭配单一绕线型电感器使用，因此需要的外部组件更少。这不仅能减少物料清单 (BOM)，也减少了设计面积，并且由于保护功能的范围能满足所有不同的市场需求，又不增加设计成本，因此也有助于在更多的全球市场进行认证。

控制器的内部 MOSFET 导通电阻 (R_DS(on)) 为 30Ω (AL17050 典型) 和 10Ω (AL17150 典型)，有助于在轻度负载下提供高效率的运作，并提高整体平均效率，适用于 0.1W 至 3W 的应用。

恒定电压

关键在于，稳压器可为 3.3V/5V 的微控制器和无线收发器提供恒定电压 (CV) 输出，确保终端设备尽可能的可靠和节能。稳压器也可以在物联网应用中提供其他额定输出电压，例如 15V。

这是透过内部高压稳压器提供的控制电压来实现。芯片在 5.6V 电压下启动，并会关闭内部高压稳压器。当电压降至 5.3V 以下时，内部高压稳压器将再次打开，以为外部电容器充电。当电压降至 3.4V 以下时，IC 停止运作，内部高压稳压器为电容器充电。

当稳压器回馈接脚的电压低于参考电压 (2.5V) 时，内部整合式 MOSFET 会开启。峰值电流限制和初始电感电流值与输入电压一起决定导通时间。当电流达到峰值电流限制时，MOSFET 会关闭。

图 2：AL17x50 在物联网智能家庭装置的降压 AC-DC 电源供应器中的典型应用

输出电压可以透过对回馈接脚的电压进行取样来进行控制，该电压可从取样电容器的电压中取得。在 MOSFET 关断阶段中，当电感器电流降至输出电流以下时，取样电容器电压会开始下降。当回馈接脚的电压降至参考电压 (2.5V) 以下时，新的切换周期会开始。

为了在不同负载条件下保持高效率，AL17050 和 AL17150 会自动调整切换频率。

随着负载降低，切换频率也会降低，MOSFET 关断时间增加，导致峰值电流减小。在无负载条件下，如果保持虚拟负载，则频率和峰值电流都将最小化。这有助于在无负载条件下降低功耗。

该控制器具有误差放大器 (EA) 补偿功能，可改善负载调节和负载瞬态效能。随着负载增加，补偿值也会增加，内部回馈比较器的参考电压会略微下降。负载中更快速的变化将导致更大的补偿介入，然后会将输出电压更快调节回所需电压。这种补偿将精确维持输出电压。

了解系统效能有助于优化控制器的设计。例如，当功率 MOSFET 导通时，电流波形的前缘通常会出现一个窄尖峰。控制器内建 350ns 的前缘胚料，以防止由导通尖峰引起的错误触发。在此期间，将停用电流限制比较器，且无法关闭闸极驱动器。

保护

广泛的保护功能，对于协助在不同全球法规环境中进行认证至关重要。为满足这些需求，该装置具有短路保护 (SCP)、过热保护 (OTP)、VCC 欠压锁定功能 (UVLO)、过载保护 (OLP) 和开放回路保护。

当峰值电流超过 450mA 的阈值时，SCP 可使装置关闭，并在故障排除后恢复操作。随着负载增加，峰值电流和切换频率也会增加。当峰值电流达到峰值电流限制值时，如果负载继续增加，则输出电压将降低。当回馈接脚电压降至 1.7V 的 OLP 触发阈值以下并保持 170ms 时，就会发生 OLP。此 170ms 的保持时间，可以避免在电源启动或进入负载转换阶段时触发 OLP 功能，因此电源启动时间要求会少于 170ms。

同样，当回馈接脚上的电压降至 60mV 以下时，装置将停止运作并开始重新启动周期。在启动阶段时，在 64 个切换周期内将忽略开放回路侦测。

AL17050 和 AL17150 整合内部热关机保护功能。如果 IC 接面温度升至 +150°C 的典型值以上，则会触发热关机 (TSD) 保护，且内部 MOSFET 会停止切换。为了回复内部 MOSFET 切换，接面温度必须降至比该值低 +30°C 的迟滞。在 TSD 保护期间，主电压下降到通常为 2.4V 的重新启动值，然后内部高压稳压器会提供 3.3V/5V 的主系统电压。

结论

更高度的整合提供更小、更高效率的设计，可以在许多全球产品应用和市场中使用。这种趋势提供规模经济并降低成本，这在大量智慧家庭和物联网市场中不可或缺。广泛的保护功能，使设计人员能够满足这些全球市场的法规要求，进而减少开发和测试时间。