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交直流转换电源:针对峰值功率还是平均功率设计?

2015-03-10 15:37 来源:电源网 编辑:铃铛

每一代新的电子设备都力求降低平均功耗,理由很简单:不管是有线还是无线,我们总是全力降低功耗。降低平均功耗一直以来都是追求的目标,尤其是目前,各种全球性监管机构施加压力,要求电子设备都具有高能效。但是一些产品使用电机、硬盘驱动器和其他大电容、大电感的元件会产生很高的峰值负载电流。因此,即使是平均功耗能够降低,峰值功率水平还是很高。

包括游戏机和打印机在内的各种消费性电子产品通常采用现成的电源以满足其最大功率要求。但是,这些现成的电源必须提供应用所需的最大功率。由于这些电子产品的负荷曲线通常包括较低的平均功耗和偶尔产生的较大的瞬时峰值,因此在这些应用中采用这类电源往往是大材小用。对于选择电源的工程师出现了一个独特的问题:电源的大小是否应该设计到能够连续输出最大瞬时所需的功率,还是设计到平均所需的功率,然后通过有源或无源的方案来应对峰值输出?在离线式交直流转换电源电路中,外部组件的尺寸主导了这场辩论,潜在的解决方案将决定电源的成本和尺寸,从而进一步对整个最终产品产生重要影响。

电源设计者努力在离线式电源的成本和性能之间寻求平衡,也需要考虑电源实际所使用的环境。对于需要高峰值电流的应用而言,这种考虑更加重要。短时间内出现高出平均电流 50-60% 的电流峰值这一情况并不少见。针对需要 60W 瞬时功率而平均为40W输出的应用,60W 的大型电源具有卓越的性能,因为能连续应对峰值功率。但是,60W 的设计在电气和散热方面要满足 60W输出功率的尺寸要求。

从电气角度来看,为较低的平均连续电流而设计的电源能够节约成本和空间,这是因为磁性元件和功率器件都可以用体积小成本低的元件。

从散热角度来看,为连续输出60W设计所需的功率器件要满足更高的连续功率损耗要求,因此散热器的尺寸和成本更高。图 1 显示了两个不同散热器的并排图像,其中一个是主功率器件在 60W 连续供电的情况下所需的散热器,较小的一个是 40W 连续供电下使用的散热器。尺寸(和成本)差异非常明显。

次级侧整流器件在电气和散热方面与初级侧功率器件的情况相同。与初级侧功率器件相似,较高的功率设计会给次级侧整流器件增加元件和成本。

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图 1. 主功率器件在 60W 连续供电下的散热器(左)与 40W 连续供电下使用的较小散热器(右)之间的尺寸对比。

很明显,设计到最大峰值功率的电源能够运行良好,但成本较高。一种替代方案是基于较低平均功率的设计采用无源蓄能,但是需要大量输出电容以确保满足峰值功率的要求,而且在占空比较高的重复脉冲下这种方案不能良好运行。理想的选择是设计出能够轻松供给平均功率而又能满足峰值功率要求的电源,在电气和散热方面不做超裕量设计。

如果把电源按照平均功率设计但允许超出额定最大电流的 50% 的峰值电流通过,则电源会比较小。适合较低平均功率的磁性元件是可以应对峰值功率的,虽然在峰值期间的效率稍微低些,但是不会显著影响总体效率,反而较小尺寸的变压器会减小整体尺寸和降低成本。同样地,主功率器件也可针对较低的平均电流来设计,从而优化整体设计的尺寸和成本。

提供峰值功率有一种简单明了的方法,即增加电源控制器上的输出电流限制点达到超出峰值功率所需的水平。电源能在需要的情况下提供额外的电流。但是,这种方法同样需要散热方面的考量,因为在故障的情况下,比如连续超电流状态下发生持续输出的故障,则电源可能会过热并产生安全问题。这样散热管理问题与连续峰值功率的设计会一样甚至可能更棘手,所以需要找出一个不同的方法,既能够提供峰值电流,也不影响总体电源的安全性和可靠性。

如果电源能在有限的时间范围内提供峰值电流,那么电气和散热设计可以接近针对平均功率而设计的方案,在提供额外电流的情况下将成本和尺寸保持到最低。数字控制技术实现的时序解决方案能轻松地实现峰值功率的应用。一种双重电流限制的方法(由主限流点设定平均电流,次限流点设定峰值功率模式下的更高电流)允许通过瞬时峰值电流,同时将热损失降到最低,从而减少输出电容的需求,并确保外部元件达到基于平均功率设计所需的尺寸。

等效模拟计时电路可提供类似的计时功能,但是灵活性不高,因为模拟计时方法的时间常数(RC 时间常数)限制了重复脉冲的频率和占空比。内部计时电路没有足够的时间在重复脉冲之间放电,有可能导致计时故障。

iW1770是具有峰值功率控制的数字电源控制器。iW1770 采用数字控制回路,其电流限制电路能够在 40ms 时间内,提供高达60%的额外输出电流,然后再把输出电流降至平均功率的安全水平。用户可以配置最大电流,不会影响正常的过电流故障保护。在完全短路或输出过电流发生软短路故障时,电流输出将会被切断并进入智能低功耗模式,或称为智能间断式输出技术(称为SmartDefender™),处理电缆和连接器中的软短路现象,防止在故障情况下出现过热和损坏。iW1770大大简化了电源设计应用,设计者可以采用远低于针对峰值功率连续工作而设计的散热器,还能够使用符合平均输出功率而非峰值功率的元器件,从而节省成本和空间。

图 2 显示的是,iW1770 在 12V、2A 的平均输出电流应用中在所允许的 40ms 时间内从最大的平均电流 2A 转变至超过平均电流 60% 的峰值电流时的波形,输出情况稳定,并提供负荷在峰值功率时间内所需的电流,直到峰值负荷减弱并回到正常的平均电流。

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图 2. iW1770 在 12V、2A 平均输出电流应用中的输出情况

系统设计工程师需要敏锐地知道他们如何基于实际的系统要求来定义、选择并设计所需的离线式电源,在最大程度上节省成本。数控电路在峰值功率控制方面具有快速、简单的特点,是安全和可靠方案。

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Scott Brown,Dialog 半导体公司电源转换事业部门市场营销分区副总裁

标签: 直流转换

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