ay: block;">美國(guó)和歐盟都出臺(tái)了多個(gè)低能耗標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)負(fù)載功耗以及最小活動(dòng)模式效率作出了嚴(yán)格規(guī)定,對(duì)功率充電器與適配器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。本文介紹了當(dāng)前全球主要的能效標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展情況,在比較幾種電源方案的特點(diǎn)基礎(chǔ)上,提出了基于LinkSwitch器件的集成電源設(shè)計(jì)方案。
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圖1:相似額定值指標(biāo)的線(xiàn)
性與開(kāi)關(guān)適配器效率比較。
在美國(guó),各個(gè)州都實(shí)施了不同的能效規(guī)定,并通過(guò)增加其效率來(lái)減少這些設(shè)備的能耗。這些規(guī)定大多數(shù)均為非強(qiáng)制性的,且允許廠(chǎng)商用相應(yīng)的標(biāo)志(如美國(guó)的能源之星)來(lái)標(biāo)記其產(chǎn)品滿(mǎn)足這些要求。
美國(guó)加州能源委員會(huì)(CEC)最近推出了覆蓋各種產(chǎn)品(包括電冰箱、照明及音視頻產(chǎn)品等)的強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)。還包括一項(xiàng)用于單電壓、外部AC-AC及AC-DC電源的標(biāo)準(zhǔn)。從2006年7月起,所有在加州(全球第七大市場(chǎng))銷(xiāo)售的由單輸出外部適配器供電的新產(chǎn)品均必須滿(mǎn)足該強(qiáng)制性CEC標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)其他幾個(gè)州也正在考慮采用此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。
該CEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無(wú)負(fù)載功耗以及最小活動(dòng)模式效率。所有這三項(xiàng)規(guī)定都根據(jù)電源的標(biāo)稱(chēng)輸出功率指標(biāo)制定。必須滿(mǎn)足的效率值并不是簡(jiǎn)單的全負(fù)載效率,而是分別在25%、50%、75%及100%額定輸出功率上所測(cè)得的平均效率。這意味著,符合要求的電源必須在整個(gè)活動(dòng)模式工作范圍內(nèi)高效率地工作。對(duì)于通用輸入設(shè)計(jì),必須在115VAC及230VAC兩種輸入上滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)。所有這些要求使得該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)顯得特別嚴(yán)格。
盡管歐盟(EU)的效率目標(biāo)通常不那么嚴(yán)格(在大多數(shù)情況下,效率較低且僅在滿(mǎn)負(fù)載條件下測(cè)量),但EU標(biāo)準(zhǔn)中的無(wú)負(fù)載功耗指標(biāo)要低于CEC的相應(yīng)要求(對(duì)于低功率適配器為300mW比500mW)。這使得選擇可滿(mǎn)足多項(xiàng)全球標(biāo)準(zhǔn)的電源解決方案(如果可能)更為重要。
圖1顯示兩種具有相同功率指標(biāo)()的充電器與一種“未調(diào)節(jié)線(xiàn)性解決方案”
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圖2:采用LinkSwitch設(shè)計(jì)的
W適配器(EP 54)的原理圖。 的三條效率曲線(xiàn),以及兩條本文介紹的用LinkSwitch器件設(shè)計(jì)的解決方案的效率曲線(xiàn)。線(xiàn)性適配器分別在25%、50%、75%及100%(能源之星及CEC各項(xiàng)規(guī)定)測(cè)得的平均效率僅為52.8%,低于標(biāo)準(zhǔn)所要求的58%。此外,760mW的無(wú)負(fù)載功耗明顯超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的500mW指標(biāo)。調(diào)節(jié)線(xiàn)性適配器的性能甚至更糟,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)晶體管(調(diào)節(jié)器)會(huì)進(jìn)一步減少其活動(dòng)模式效率。因此OEM們?cè)?006年7月1日以后將不能銷(xiāo)售含有線(xiàn)性充電器或適配器的電子產(chǎn)品。
幾種開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的比較
盡管開(kāi)關(guān)電源比線(xiàn)性電源效率更高,但設(shè)計(jì)一種在其大部分活動(dòng)模式范圍內(nèi)具有高效率及低無(wú)負(fù)載功耗的電源適配器仍極具挑戰(zhàn)。
在功率低于50W時(shí),回掃電路仍是一種最具成本效益的電路拓?fù)洹；貟咿D(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方法有多種,表1列出了幾種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法,并比較材料成本、元件數(shù)、設(shè)計(jì)復(fù)雜性、整體效率及無(wú)負(fù)載功耗。
振鈴扼流變換器(RCC)的材料成本似乎很有吸引力,但還必須考慮其整體系統(tǒng)成本。RCC設(shè)計(jì)不僅最復(fù)雜而且很難進(jìn)行可靠的大批量生產(chǎn),且常常還伴有嚴(yán)重的良品率問(wèn)題。高器件數(shù)要求采用通孔及表面貼裝元件,從而增加了裝配的時(shí)間及成本。最重要的是,RCC轉(zhuǎn)換器擁有較差的輕負(fù)載效率及較高的無(wú)負(fù)載功耗。隨著RCC的負(fù)載減小,其開(kāi)關(guān)頻率升高,這會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗并降低效率。要滿(mǎn)足這些新要求,必須設(shè)計(jì)一種更加復(fù)雜的RCC,或其滿(mǎn)負(fù)載效率必須很高以補(bǔ)償在其他測(cè)試點(diǎn)上的低效率。在無(wú)負(fù)載情況下,啟動(dòng)電路(通常是一串與直流電壓相連的高阻值電阻)中的損耗會(huì)減少電源中其他損耗的余量。這些因素都會(huì)極大地增加RCC解決方案的成本。
分立PWM控制器件及MOSFET方法可提供較佳的性能。很多控制器都擁有內(nèi)置“猝發(fā)模式”(burst mode),這種模式可通過(guò)降低平均開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少空載功耗。猝發(fā)模式一般僅在空載或極輕負(fù)載條件下才發(fā)生,因此圍繞這些控制器而設(shè)計(jì)的解決方案在猝發(fā)模式開(kāi)始前仍會(huì)出現(xiàn)較低的輕負(fù)載效率。此外,可能需要用極高滿(mǎn)負(fù)載效率設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)不佳的輕負(fù)載效率,但不可避免地會(huì)增加電源的器件成本。
集成電源解決方案
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表1:常見(jiàn)回掃轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
集成解決方案(控制與功率器件位于同一IC上)可提供最佳的整體效益及成本。低器件數(shù)不僅能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與生產(chǎn),而且還能使用具有成熟能效模式的IC來(lái)更加容易地滿(mǎn)足CEC等苛刻標(biāo)準(zhǔn)要求。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),許多IC廠(chǎng)商都提供各種免費(fèi)工具。例如一些公司提供工具不僅能自動(dòng)完成大部分設(shè)計(jì),而且還能提供關(guān)鍵的變壓器構(gòu)造細(xì)節(jié),如磁芯類(lèi)型、材料、尺寸、氣隙寬度、線(xiàn)徑、線(xiàn)型、繞組次序及骨架起止引腳等。構(gòu)造細(xì)節(jié)可用來(lái)在實(shí)驗(yàn)室制造原型變壓器,或提供給磁芯供應(yīng)商用于加工。
在獲得解決方案后,軟件可提供很多的優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。圖2顯示一款根據(jù)LinkSwitch器件設(shè)計(jì)的W適配器(EP 54)的原理圖。
由于有較高的集成度,故設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)單。通過(guò)變壓器上的一個(gè)輔助繞組來(lái)感應(yīng)輸出電壓,并通過(guò)電阻R4饋入U(xiǎn)1的控制引腳。LinkSwitch用來(lái)提供高達(dá)峰值功率點(diǎn)的恒定電壓(CV)調(diào)節(jié),以及通過(guò)該峰值功率點(diǎn)提供的恒定電流(CC)調(diào)節(jié)。這使得該解決方案非常適合于電池充電或只需電壓的應(yīng)用,因?yàn)镃C特征可提供出色的過(guò)載與短路保護(hù)。從輕負(fù)載到空載,該器件可將其開(kāi)關(guān)頻率降低30%以減少功耗。
此例中的變壓器是采用PI Expert Suite(6.0版)中的工具來(lái)產(chǎn)生的,包括可減少所需EMI濾波器的數(shù)量與尺寸的屏蔽繞組。在此電路中,一個(gè)簡(jiǎn)單的pai型濾波器(由C1、L1和C2組成)即足以衰減所傳導(dǎo)的EMI噪聲。采用LinkSwitch設(shè)計(jì)(EP 54)可輕易地滿(mǎn)足CEC效率與無(wú)負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)。
作者:Peter Vaughan
產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理
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