PMIC - AC-DC 转换器中的离线开关检测技术

在基于PMIC（电源管理集成电路）的AC-DC开关电源系统中，离线开关状态检测是一项关键功能。它使系统能够准确感知交流输入线上的开关（如物理电源开关或继电器触点）是处于“闭合”（通电）还是“断开”（断电）状态。这种检测对于实现安全关机、待机模式控制、状态指示、无缝电源切换（如UPS）以及符合节能法规至关重要。

为何离线开关检测具有挑战性？

在AC-DC转换器的背景下，“离线”指的是电路位于交流输入侧（一次侧），与系统控制逻辑所在的安全低压直流侧（二次侧）之间存在电气隔离（通常通过变压器实现）。主要挑战在于：

  1. 高压隔离： 交流线路电压可能高达数百伏特，而控制逻辑通常在低压（如3.3V, 5V）下工作。直接测量会破坏隔离屏障，带来严重安全隐患。
  2. 交流信号特性： 检测对象是交流正弦波（或畸变波形）的存在与否，而非简单的直流电平。
  3. 噪声环境： 交流线路通常存在较大的电磁干扰（EMI）噪声。
  4. 空间与成本限制： 解决方案需在物理尺寸、元件数量和成本方面具有可行性。
 

主流离线开关检测方案：

工程师们开发了多种巧妙方法来实现安全可靠的离线开关状态检测：

  1. 电流互感器检测：

    • 原理： 在交流输入火线（L）或零线（N）上串联一个微型电流互感器（CT）。当开关闭合、负载工作时，交流电流流经CT一次侧，在二次侧感应出成比例的电流信号。
    • 检测方式：
      • 二次侧整流滤波： 将CT二次侧电流信号通过电阻转换为电压，再经整流二极管和滤波电容得到反映一次侧电流大小的直流电压。将该电压与阈值比较即可判断开关状态。
      • 脉冲检测： 利用CT二次侧的电压脉冲信号（与一次电流变化率相关），通过高速比较器或数字逻辑直接检测脉冲的存在与否来判断电流通断。
    • 优点： 隔离性能优异，可反映实际负载电流情况。
    • 缺点： CT存在饱和风险（尤其对直流或大启动电流），体积相对较大，成本较高，对微小电流（待机状态）检测不够灵敏。

  2. 辅助绕组耦合：

    • 原理： 利用主功率变压器的磁芯，额外绕制一个低压辅助绕组。当主变换器工作时，辅助绕组上会感应出与主绕组电压成比例的交流电压。
    • 检测方式： 将辅助绕组的交流输出进行整流、滤波和分压，得到一个低压直流信号。该信号的电压水平（或有无）反映了主变压器是否在工作，从而间接反映交流输入开关是否闭合。
    • 优点： 利用现有变压器磁耦合实现隔离，成本较低，实现简单。
    • 缺点： 检测依赖主变换器的工作状态。如果系统处于轻载或突发模式（Burst Mode）待机，主变换器间歇工作，辅助绕组信号也会间歇出现，可能导致误判。需要精心设计绕组的匝数比。

  3. 霍尔效应电流传感器：

    • 原理： 将霍尔传感器（开环或闭环型）放置在交流输入线附近或串联在回路中。传感器检测电流产生的磁场，输出与电流成正比的隔离电压信号。
    • 检测方式： 对霍尔传感器的输出电压进行信号调理（放大、滤波），然后与阈值比较判断电流通断。
    • 优点： 隔离性能好，可测量直流和交流电流，精度较高，对微小电流相对灵敏。
    • 缺点： 成本最高，需要额外供电（可能需要隔离电源），体积相对较大，对温度和外部磁场敏感。

  4. 光耦检测（结合一次侧电压采样）：

    • 原理： 在交流输入侧增加一个高压分压电阻网络，对整流滤波后的高压直流母线电压（Link Voltage）进行采样。利用光耦将采样得到的电压状态信号隔离传递到二次侧。
    • 检测方式：
      • 模拟光耦： 传递母线电压的模拟量值。二次侧电路检测此电压是否低于某个阈值（表示输入断开或交流掉电）。
      • 数字光耦/比较器+光耦： 在输入侧用比较器将母线电压与阈值比较，然后用数字光耦将“高/低”电平信号传递到二次侧。
    • 优点： 隔离可靠，电路相对简单，能直接检测输入电压有无。
    • 缺点： 电阻分压网络持续消耗功率（影响待机效率），高压电阻精度和稳定性会影响检测阈值准确性。光耦的电流传输比（CTR）会随时间衰减，影响长期可靠性。
 

关键设计考量因素：

  • 精度与可靠性： 检测必须能可靠区分开关闭合（通电）和断开（断电或开路）状态，避免误触发或失效。
  • 响应时间： 检测电路对开关状态变化的响应速度需满足系统要求（如快速关机保护）。
  • 隔离等级： 必须满足安规标准（如IEC/UL 60950, 62368）要求的加强绝缘或功能绝缘等级。爬电距离、电气间隙、隔离材料耐压需达标。
  • 功耗： 尤其在待机模式下，检测电路自身功耗要尽量低以满足能效法规（如Energy Star, CoC, DoE Level VI, ErP Lot 6/7）。
  • 抗干扰能力： 必须能抵御交流线上的噪声、浪涌、开关瞬态等干扰，避免误动作。
  • 成本与尺寸： 方案需在目标应用中具备成本效益且易于集成。
  • 待机电流检测： 对于检测待机模式下微小的待机电流的需求，需选择高灵敏度的方案（如特定霍尔传感器或优化后的CT方案）。
 

集成于PMIC的设计趋势：

现代高性能AC-DC PMIC倾向于将关键的检测外围电路集成到芯片中：

  • 集成高压启动与检测引脚： 部分PMIC提供专用的高压启动引脚，该引脚内部连接高压MOSFET和比较器，可直接监控整流后的高压母线电压。芯片利用此信息实现输入掉电检测（Brown-Out Detection）和欠压锁定（UVLO），并可间接反映开关状态。
  • 集成电流采样与比较器： PMIC内部集成精密电流采样电路和高速比较器，结合外部检测元件（如采样电阻、CT接口），简化电流检测方案设计。
  • 数字反馈与控制： 先进的数字控制PMIC可通过其数字内核处理来自隔离通道（如数字光耦或专用隔离器）的状态信号，实现更智能的判断和控制逻辑。
 

安全规范与认证：

离线开关检测电路的设计必须严格遵守相关的安全规范，如IEC 62368-1（音视频、信息技术和通信技术设备安全要求）。关键点包括：

  • 隔离屏障： 确保一次侧与二次侧检测信号通路满足规定的耐压测试（如3kV AC）和绝缘要求。
  • 元器件认证： 使用的隔离器件（光耦、CT、霍尔传感器、隔离IC）需具备相应的安规认证。
  • 故障模式分析： 设计需考虑关键元器件（如分压电阻、光耦）失效模式下的安全性（如短路、开路），确保不会导致危险情况发生。
 

实际设计技巧与陷阱：

  • 阈值迟滞： 在电压或电流检测比较器中设置迟滞，防止开关临界点附近的抖动导致信号振荡。
  • 滤波时间常数： 合理设置RC滤波时间常数，平衡抗干扰能力（需要较长时间常数）与响应速度需求（需要较短时间常数）。
  • 启动与关机时序： 考虑检测电路在系统上电、掉电以及待机唤醒过程中的行为，避免状态误报。特别是PMIC内部高压启动电路的行为需与检测逻辑协调。
  • 接地与噪声： 注意一次侧与二次侧地平面的隔离，避免共模噪声通过检测路径耦合。模拟小信号走线远离噪声源。
  • 元件应力： 确保分压电阻、限流电阻等的额定电压、功率满足最坏工况要求。
  • CT饱和： 在电流互感器方案中，需确保最大预期电流（包括浪涌）下不会饱和，或选择抗饱和能力强的CT或采用带气隙的磁芯。
  • 光耦老化： 设计需考虑光耦CTR随时间衰减的影响，留有足够裕量或采用闭环反馈方案补偿。
 

典型应用场景：

  • 智能电源插座/排插： 检测物理开关状态，控制主电源通断，并通过无线模块上报状态。
  • 家电（电视、空调、洗衣机）： 检测面板电源键状态，实现软开机/关机逻辑；进入待机模式时关闭主电源。
  • 工业控制系统： 检测设备主电源开关状态，用于安全联锁或状态监控。
  • 服务器/通信电源： 检测输入开关状态，配合冗余电源实现无缝切换。
  • 适配器/充电器： 检测输入端是否连接，优化待机功耗或提供状态指示；用于输入欠压保护。
 

结论：

离线开关检测是构筑安全、高效、智能的AC-DC电源系统的核心技术节点。工程师需深入理解交流输入特性、电气隔离要求及各类检测方案的优缺点，并结合具体应用的功耗、成本、安全、可靠性需求进行权衡选择。随着PMIC集成度的不断提升，将更多检测功能集成到芯片内部，配合优化的外部元件，成为简化设计、提高系统可靠性和效率的主流方向。精心设计和验证的离线开关检测电路，是实现电源智能管理和用户友好操作体验的基础保障。