設(shè)計(jì)高效AC/DC電源的方法

電源就像保險(xiǎn)單－你知道自己需要它，但你寧可永遠(yuǎn)都不必用到它。同樣，你的下一代電子電子產(chǎn)品也離不開電源。從另一方面看，電源又和保險(xiǎn)單不一樣，因?yàn)樵谶^去的20多年里，保險(xiǎn)單一直在不斷漲價(jià)，而電源則越來越小，功率越來越高，成本越來越低。縮小電源體積以給系統(tǒng)其它功能留出更多空間的趨勢將繼續(xù)下去。而且，電源還必須符合已有的標(biāo)準(zhǔn)格式，以避免系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。

對于AC/DC電源來說，推動(dòng)這一趨勢的并不是技術(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。簡單設(shè)計(jì)是一個(gè)重要因素。最后，還要考慮功能?？刂坪蛨?bào)警信號、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、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％。

圖2：擁有最小功耗的電源的范例

半導(dǎo)體設(shè)備性能和功能的改進(jìn)，仍將繼續(xù)成為推動(dòng)AC/DC電源設(shè)計(jì)改進(jìn)的主要?jiǎng)恿?。更好的磁性組件和無源組件也將起著重要作用，但這方面的發(fā)展最多只能是改進(jìn)，而不能達(dá)到徹底的變革。要設(shè)計(jì)出最好的電源，就必須使用最新的組件，并以創(chuàng)新型方法加以結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)于作者：

Gary Bocock是XP Power公司技術(shù)總監(jiān)，優(yōu)秀電子工程師（HNC），電氣工程師協(xié)會(huì)（MIEE）成員，在電源設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用和管理上有20年的經(jīng)驗(yàn)。他在XP Power已經(jīng)工作了10年，擔(dān)任過各種工程和管理職位，直至現(xiàn)在的技術(shù)總監(jiān)。