淺談綠色開關電源的設計要點

早期的開關電源由于技術不太成熟、器件性能的局限性，一些參數(shù)做得不太好像EMC難過關、待機功耗較大、效率不太高等。電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。各種運行的電力設備之間以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯(lián)并相互影響，在一定的條件下會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。20世紀80年代興起的電磁兼容EMC學科以研究和解決這一問題為宗旨，主要是研究和解決干擾的產(chǎn)生、傳播、接收、抑制機理及其相應的測量和計量技術，并在此基礎上根據(jù)技術經(jīng)濟最合理的原則，對產(chǎn)生的干擾水平、抗干擾水平和抑制措施做出明確的規(guī)定，使處于同一電磁環(huán)境的設備都是兼容的，同時又不向該環(huán)境中的任何實體引入不能允許的電磁擾動。

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，器件的性能提高，特別是節(jié)能型電源芯片如雨后春筍般涌現(xiàn)，加上電路設計的成熟，要設計效率高、待機功耗小的節(jié)能型開關電源已是不太難的事情，設計節(jié)能型開關電源正是適應了節(jié)能減排的需求。

本人現(xiàn)在以圖一的電路圖為例，以美國加州能源之星法案(Ⅳ等級)Table U-2(2008年1月執(zhí)行)為設計依據(jù)來闡述設計綠色開關電源的要點。美國加州能源之星法案(Ⅳ等級)Table U-2的要求如下：

注意1：表中Pn是外置型開關電源的標準輸出功率，Ln是自然對數(shù)。

注意2：美國加州“能源之星”是強制執(zhí)行的，是美國加州地方法規(guī)。進入美國加州的商品開關電源必須遵守這一法規(guī)。我國不少廠商是按照美國加州“能源之星”法案來設計和生產(chǎn)綠色開關電源的。

圖一所示是輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開關電源，作為14英寸至17英寸的液晶顯示器的電源適配器之用。

綠色開關電源的主要內(nèi)容是效率高，待機功耗小。36W的效率要求大于83%，待機功耗要小于0.5W?，F(xiàn)在的電源芯片供應商提供的一般都是綠色電源芯片，待機功耗一般都會很小。但是，效率高除了與芯片有關外，還與其它器件有流+反向漏電流Idss×反壓，用6N60加散熱器可滿足要求。

二次整流管工作在高頻脈沖狀態(tài)下，在12V3A輸出時，要求工作耐壓大于輸出電壓的4倍，工作電流大于輸出電流的3倍，用耐壓60V，工作電流為16A的SB1660肖特基二極管可滿足要求，但一定要加散熱器。

電源芯片的功耗越小越好，因為它除了影響整機效率和待機功耗外，還涉及整機的工作穩(wěn)定性，其功耗越大，溫升越高，工作越不穩(wěn)定。如昂寶公司的綠色開關電源芯片0B2269AP，其正常工作功耗小于30mW，工作穩(wěn)定。

早期的開關電源由于技術不太成熟、器件性能的局限性，一些參數(shù)做得不太好像EMC難過關、待機功耗較大、效率不太高等。然而，減小開關電源的待機功耗、提高開關電源的效率是大有潛力可挖的，是全球電源行業(yè)共同關注的問題。

符合“能源之星”的開關電源又叫“綠色開關電源”，針對開關電源的“能源之星”已經(jīng)有了多個版本，隨著版本的升級，開關電源的效率越來越高，待機功耗越來越小，但設計難度也會越來越大。開關電源的效率一般在滿載輸出功率時測試，但CEC(美國加州)及“能源之星”規(guī)范中對設計的平均效率是在負載的四個測試點進行實際測量。

開關變壓器的損耗是整機損耗的大頭，它包括銅損和磁損。簡單復制人家的優(yōu)質(zhì)開關變壓器很難做成損耗小的開關變壓器的，因為開關變壓器的損耗是一個復雜的關系，與磁芯的品質(zhì)、設計、繞制工藝等有關。拿設計反激式開關變壓器而言，它與工作頻率、導通時間、繞制方法、磁隙(磨磁芯)等有關。開關變壓器的設計是設計開關電源的核心，要有高深的理論知識和多年的經(jīng)驗沉淀，優(yōu)秀的開關電源設計工程師在選擇高品質(zhì)的磁芯、結(jié)合先進的繞制工藝，能設計出效率高于97%的開關變壓器。圖一中的開關變壓器的磁芯選用浙江天通的EE-30L，開關工作頻率為65KHz，導通時間是0.42T(T是周期)，初級78圈，次級8圈，芯片供電繞組9圈，初級電感量1.2mH，漏感小于35uH，變壓器的效率可達96%，工作時溫升低于60℃。阻尼吸收網(wǎng)絡由R2、C3、D1組成，D1用UF4007，C3用1000V4700PF的高壓瓷片電容器，R2為120K2W的電阻，R2與C3配合得好，脈沖吸收效果明顯，R2與C3失配太多，不但損耗加大，還會輻射電磁波而使EMC過不了關。

由于二次整流管在工作時會產(chǎn)生尖脈沖，在輸出中會疊加雜波，并且還會輻射電磁波而使EMC難過關，故要在二極管兩端并聯(lián)尖脈沖吸收網(wǎng)絡R8與C8，圖一中C8為22000PF100V的瓷片電容、R8為56歐姆0.5W的碳膜電阻，此吸收網(wǎng)絡也是有一定功耗的，C8越大R8越小，損耗越大。

圖一尖脈沖吸收網(wǎng)絡的功率損耗小于0.25W。同樣要注意，吸收網(wǎng)絡的設計也與電源芯片、開關頻率、肖特基二極管的特性、變壓器的設計有關的。

阻波電感L2能使輸出紋波減小，一般是用漆包線在6毫米粗的磁棒上繞8到16圈。要注意，由于要通過大電流，故漆包線要粗，圈數(shù)不要太多，以免產(chǎn)生過大的壓降而增大損耗。圖一中的L2的電感量為12uH，用粗0.8毫米的漆包線繞制，至于繞多少圈，要視磁棒的磁材料參數(shù)而定。

L2的設計與電源的工作頻率、輸出電流有關。特別提醒大家注意的是，DC輸出線(圖中未畫)一定要達到或超過3A，否則，由于通過的電流大，可能在DC輸出線上產(chǎn)生的功率損耗是最大的冤大頭。

DC輸出線在電源適配器中的價格比重較大，不少生產(chǎn)商會降低其載流量而減少成本，結(jié)果會使效率得不到保證。

本人按照圖一電路參數(shù)設計的反激式開關電源，在國內(nèi)標準輸入電壓(220V50Hz正弦交流電)下，在輸出功率的25%測試時，輸出紋波為45mVpp，效率是83.4%;在輸出功率的50%測試時，輸出紋波為48mVpp，效率是83.8%;在輸出功率的7 5%測試時，輸出紋波為53mVpp，效率是84.5%;在滿載輸出功率測試時，輸出紋波為58mVpp，效率是84.8%。待機功耗小于0.4W。符合CEC(美國加州)“能源之星”法案Table U-2(2008年1月執(zhí)行)綠色開關的要求。

開關電源設計工程師要有深厚的理論功底和豐富的設計經(jīng)驗以及注意設計細節(jié)等才能達到美國加州能源之星法案Ⅳ等級的設計要求。然而，符合“能源之星”的綠色開關電源不一定是優(yōu)質(zhì)電源，還要求其它參數(shù)符合，綠色開關電源只是在原來的開關電源參數(shù)上提高了有關能效的參數(shù)標準而已。

隨著人們低碳生活的需求，所謂“低碳生活”(low-carbon life)就是把生活作息時間中所耗用的能量盡量減少，從而減低二氧化碳的排放量。低碳生活，對于普通人來說是一種生活態(tài)度，同時 低碳生活宣傳海報

所謂“低碳生活”(low-carbon life)就是把生活作息時間中所耗用的能量盡量減少，從而減低二氧化碳的排放量。低碳生活，對于普通人來說是一種生活態(tài)度，同時也成為人們推進潮流的新方式。它給我們提出的是一個“愿不愿意和大家共同創(chuàng)造低碳生活”的問題。 但是我們應該積極提倡并去實踐低碳生活，要注意節(jié)電、節(jié)氣、熄燈一小時…從這些點滴做起。除了植樹，還有人買運輸里程很短的商品，有人堅持爬樓梯，形形色色，有的很有趣，有的不免有些麻煩。低碳生活可以理解為：減少二氧化碳的排放，就是低能量、低消耗、低開支的生活。但前提是在不降低生活質(zhì)量的情況下，盡其所能的節(jié)能減排。“節(jié)能減排”，不僅是當今社會的流行語，更是關系到人類未來的戰(zhàn)略選擇。提高“節(jié)能減排”意識，對自己的生活方式或消費習慣進行簡單易行的改變，一起減少全球溫室氣體(主要減少二氧化碳)排放，意義十分重大。“低碳生活”節(jié)能環(huán)保，有利于減緩全球氣候變暖和環(huán)境惡化的速度。減少二氧化碳排放，選擇“低碳生活”，是每位公民應盡的責任。