ay: block;">美國和歐盟都出臺了多個低能耗標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)對無負載功耗以及最小活動模式效率作出了嚴格規(guī)定,對功率充電器與適配器的設(shè)計帶來一定挑戰(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基礎(chǔ)上,提出了基于LinkSwitch器件的集成電源設(shè)計方案。
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圖1:相似額定值指標(biāo)的線
性與開關(guān)適配器效率比較。
在美國,各個州都實施了不同的能效規(guī)定,并通過增加其效率來減少這些設(shè)備的能耗。這些規(guī)定大多數(shù)均為非強制性的,且允許廠商用相應(yīng)的標(biāo)志(如美國的能源之星)來標(biāo)記其產(chǎn)品滿足這些要求。
美國加州能源委員會(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)的強制性能效標(biāo)準(zhǔn)。還包括一項用于單電壓、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)銷售的由單輸出外部適配器供電的新產(chǎn)品均必須滿足該強制性CEC標(biāo)準(zhǔn)。美國其他幾個州也正在考慮采用此項標(biāo)準(zhǔn)。
該CEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無負載功耗以及最小活動模式效率。所有這三項規(guī)定都根據(jù)電源的標(biāo)稱輸出功率指標(biāo)制定。必須滿足的效率值并不是簡單的全負載效率,而是分別在25%、50%、75%及100%額定輸出功率上所測得的平均效率。這意味著,符合要求的電源必須在整個活動模式工作范圍內(nèi)高效率地工作。對于通用輸入設(shè)計,必須在115VAC及230VAC兩種輸入上滿足該標(biāo)準(zhǔn)。所有這些要求使得該項標(biāo)準(zhǔn)顯得特別嚴格。
盡管歐盟(EU)的效率目標(biāo)通常不那么嚴格(在大多數(shù)情況下,效率較低且僅在滿負載條件下測量),但EU標(biāo)準(zhǔn)中的無負載功耗指標(biāo)要低于CEC的相應(yīng)要求(對于低功率適配器為300mW比500mW)。這使得選擇可滿足多項全球標(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)線性解決方案”
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圖2:采用LinkSwitch設(shè)計的
W適配器(EP 54)的原理圖。 的三條效率曲線,以及兩條本文介紹的用LinkSwitch器件設(shè)計的解決方案的效率曲線。線性適配器分別在25%、50%、75%及100%(能源之星及CEC各項規(guī)定)測得的平均效率僅為52.8%,低于標(biāo)準(zhǔn)所要求的58%。此外,760mW的無負載功耗明顯超過標(biāo)準(zhǔn)要求的500mW指標(biāo)。調(diào)節(jié)線性適配器的性能甚至更糟,因為開關(guān)晶體管(調(diào)節(jié)器)會進一步減少其活動模式效率。因此OEM們在2006年7月1日以后將不能銷售含有線性充電器或適配器的電子產(chǎn)品。
幾種開關(guān)電源設(shè)計的比較
盡管開關(guān)電源比線性電源效率更高,但設(shè)計一種在其大部分活動模式范圍內(nèi)具有高效率及低無負載功耗的電源適配器仍極具挑戰(zhàn)。
在功率低于50W時,回掃電路仍是一種最具成本效益的電路拓撲。回掃轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法有多種,表1列出了幾種常見的實現(xiàn)方法,并比較材料成本、元件數(shù)、設(shè)計復(fù)雜性、整體效率及無負載功耗。
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)計不僅最復(fù)雜而且很難進行可靠的大批量生產(chǎn),且常常還伴有嚴重的良品率問題。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間及成本。最重要的是,RCC轉(zhuǎn)換器擁有較差的輕負載效率及較高的無負載功耗。隨著RCC的負載減小,其開關(guān)頻率升高,這會增加開關(guān)損耗并降低效率。要滿足這些新要求,必須設(shè)計一種更加復(fù)雜的RCC,或其滿負載效率必須很高以補償在其他測試點上的低效率。在無負載情況下,啟動電路(通常是一串與直流電壓相連的高阻值電阻)中的損耗會減少電源中其他損耗的余量。這些因素都會極大地增加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),這種模式可通過降低平均開關(guān)頻率來減少空載功耗。猝發(fā)模式一般僅在空載或極輕負載條件下才發(fā)生,因此圍繞這些控制器而設(shè)計的解決方案在猝發(fā)模式開始前仍會出現(xiàn)較低的輕負載效率。此外,可能需要用極高滿負載效率設(shè)計來彌補不佳的輕負載效率,但不可避免地會增加電源的器件成本。
集成電源解決方案
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表1:常見回掃轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點。
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)不僅能簡化設(shè)計與生產(chǎn),而且還能使用具有成熟能效模式的IC來更加容易地滿足CEC等苛刻標(biāo)準(zhǔn)要求。為進一步簡化設(shè)計,許多IC廠商都提供各種免費工具。例如一些公司提供工具不僅能自動完成大部分設(shè)計,而且還能提供關(guān)鍵的變壓器構(gòu)造細節(jié),如磁芯類型、材料、尺寸、氣隙寬度、線徑、線型、繞組次序及骨架起止引腳等。構(gòu)造細節(jié)可用來在實驗室制造原型變壓器,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)計的方法。圖2顯示一款根據(jù)LinkSwitch器件設(shè)計的W適配器(EP 54)的原理圖。
由于有較高的集成度,故設(shè)計極為簡單。通過變壓器上的一個輔助繞組來感應(yīng)輸出電壓,并通過電阻R4饋入U1的控制引腳。LinkSwitch用來提供高達峰值功率點的恒定電壓(CV)調(diào)節(jié),以及通過該峰值功率點提供的恒定電流(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,因為CC特征可提供出色的過載與短路保護。從輕負載到空載,該器件可將其開關(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,一個簡單的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(EP 54)可輕易地滿足CEC效率與無負載標(biāo)準(zhǔn)。
作者:Peter Vaughan
產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理
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Power Integrations公司
