對(duì)于AC/DC電源來說,推動(dòng)這一趨勢(shì)的并不是技術(shù)上的新突破,而是良好的設(shè)計(jì),以及創(chuàng)新性地結(jié)合各種工藝和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來開發(fā)出性能高于平均水平的電源.本文將要討論的是常見的100W-200W的AC/DC電源設(shè)計(jì),其中著重強(qiáng)調(diào)的是結(jié)合各種方案來設(shè)計(jì)外形最小成本最低的電源,并實(shí)現(xiàn)最高的效率和應(yīng)用靈活性.
我們首先談一談設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要目標(biāo).首先,電源必須越小越好,以給系統(tǒng)的其它功能留出更多的空間.第二,電源的功效要越高越好.在實(shí)際中,電源并不是最耗能的,而是微處理器,但是電源仍然需要進(jìn)一步提高功效,因?yàn)楣πг礁?所需的散熱片就越小,這樣才能進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)空間.對(duì)于100W-200W的電源來說,要實(shí)現(xiàn)90%的功效是不太現(xiàn)實(shí)的.高功率的電源功效每提高1%,熱量就能降低10%,電源所需的冷卻程度也會(huì)產(chǎn)生極大的不同.第三,成本當(dāng)然永遠(yuǎn)是最重要的因素,無論是原材料成本還是制造復(fù)雜性方面.簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素.最后,還要考慮功能.控制和報(bào)警信號(hào)、和同類設(shè)備的均流以及在各種交流輸入情況下保持穩(wěn)定性能等都是非常重要的.
我們來看看下面圖1中展示的AC/DC電源,這里的幾個(gè)方法可以在保證性能和功能的前提下將大小和成本最小化.
圖1:縮小AC/DC電源外形的步驟
輸入濾波器.使用一個(gè)兩階式濾波器可以使電源外形最小化,并實(shí)現(xiàn)高共模和微分降噪.如果垂直堆疊組件,則可以節(jié)省板空間,同時(shí)改進(jìn)冷卻.
功率因數(shù)校正電路(PFC).由于碳化硅二極管的價(jià)格在過去兩年降了下來,在電源中使用這一產(chǎn)品已經(jīng)成為了可能.反向電流特性使碳化硅二極管不需要緩沖電路,因此可以節(jié)省5-6個(gè)組件.另外,碳化硅二極管一般還可以將功效提高1%.如果使用階梯感應(yīng)器,可以在高輸入線時(shí)提供高感應(yīng),在低輸入線時(shí)支持最可能大的流量密度.在輸入范圍中使用連續(xù)感應(yīng)模式(CCM)操作,可以保持最小的峰值轉(zhuǎn)換電流和輸入濾波器要求.
主變流器.在這里,使用諧振拓?fù)淇梢曰旧舷_關(guān)損耗.這樣不僅改進(jìn)了電源效率,而且使電源可以使用更小的散熱片.實(shí)際使用中,有時(shí)可以在功率晶體管中以陶瓷基片代替金屬基片.陶瓷基片可以減少噪音,并因此簡(jiǎn)化濾波過程.這是因?yàn)樯崞瑳]有和開關(guān)MOSFETS的損耗耦合的電容.另外,使用陶瓷散熱片時(shí)的爬電距離比金屬散熱片所需的距離要短,這就進(jìn)一步節(jié)省了板空間.
輸出整流器.此處使用開關(guān)式MOSFETS而不是輸出整流器二極管來進(jìn)行同步整流.這樣可以極大地降低功耗,從而提高功效.比如,一個(gè)正向電壓0.5V的二極管在20A時(shí)的功耗為10W.而如果使用一個(gè)開啟時(shí)電阻為14mOhm 的MOSFET,功耗最大只有5.6W,與二極管的功耗相比小了44%.這里也可以用陶瓷陶瓷基片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的散熱片.
控制電路.半導(dǎo)體制造商最近以來一直在開發(fā)用于電源的集成化控制電路.這樣可以減少組件數(shù)量、降低制造成本并節(jié)省板空間,哪怕集成電路可能本身比離散組件更為昂貴.比如IR1150-這是一種PFC芯片,作為單循環(huán)控制(OCC)設(shè)備使用,可以在保持電源系統(tǒng)性能的同時(shí)大大減少元組件數(shù)量.同樣,可以通過特殊應(yīng)用芯片來進(jìn)行主轉(zhuǎn)換器電壓控制、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)和過溫度保護(hù),并控制輸出整流器轉(zhuǎn)換.另外,還可以通過同步單啟動(dòng)分源、借助邏輯控制來關(guān)閉電源的抑制電路、“電源狀態(tài)良好”信號(hào)、備用轉(zhuǎn)換器控制功能等控制渠道來提高應(yīng)用的靈活性.當(dāng)交流電源存在時(shí),備用轉(zhuǎn)換器可以單獨(dú)提供5V的輸出.
XP Power的EMA212電源代表著目前最好的AC/DC電源(如圖2).它的主要指標(biāo)如下:
-采用上文提到的技術(shù),輸出212.5W,占位面積3 x 5英寸,最高高度僅1.34英寸;
-以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的占位面積達(dá)到了10.55 W/立方英寸的電能密度;
-有一個(gè)12V或48V的主輸出,另有12V 1A用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,以及一個(gè)5V的待機(jī)輸出,功率200W;
-強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻只需12CFM,使用標(biāo)準(zhǔn)的40 x 40mm風(fēng)扇就能很容易實(shí)現(xiàn);強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻是目前很多通信系統(tǒng)的通用指標(biāo),而12CFM是很容易實(shí)現(xiàn)的,不需要復(fù)雜的機(jī)械裝置.
-全負(fù)載時(shí)功效可達(dá)91%.
