實(shí)現(xiàn)高效HVAC的電源轉(zhuǎn)換器解決方案

在制熱和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，高效熱交換技術(shù)與高級(jí)電子控制技術(shù)相結(jié)合進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的能效額定值。高效而可靠的電源是提高電機(jī)效率和系統(tǒng)性能可靠性的基本保障。

隨著國際市場(chǎng)的原油價(jià)格逼近每桶100美元，進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)能效的需求比以往更加迫切。在工業(yè)和家電領(lǐng)域則尤其需要提高局部加熱或內(nèi)加熱應(yīng)用的能效。

一個(gè)應(yīng)用實(shí)例

冷凝式鍋爐就是一個(gè)制熱技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，它利用基本的熱力學(xué)原理，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的能量效率。利用現(xiàn)代電子技術(shù)能夠獲得的性能提升接近理論上可獲得的最大值。高效的冷凝式鍋爐采用大型的熱交換器從廢氣中吸取最大限度的能量。它產(chǎn)生具有較低溫度的廢氣，熱耗散很低，能夠減少燃料的消耗量。通常情況下，它能夠?qū)⑺萌剂系?8%以上轉(zhuǎn)化為有用的熱能，而一般的傳統(tǒng)鍋爐只能轉(zhuǎn)化78%?；厥諢煹乐械臒崃靠梢越档蛷U氣的溫度，在燃燒過程中產(chǎn)生的水蒸汽就會(huì)冷凝出來，因此稱之為“冷凝式鍋爐”。冷凝的過程非常關(guān)鍵，因?yàn)楫?dāng)水從蒸氣狀態(tài)變成液態(tài)時(shí)，它會(huì)釋放出潛在的汽化熱量，這種能量比單純的冷卻蒸汽所轉(zhuǎn)換的熱量更重要。當(dāng)溫度降低時(shí)，廢氣就會(huì)喪失原來浮力，因此必須在煙道內(nèi)安裝一個(gè)風(fēng)扇，保持廢氣的流動(dòng)性。我們要控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)最高的效率。因此，這里需要一種能夠在高溫環(huán)境下可靠工作的高效電源對(duì)風(fēng)扇、系統(tǒng)定時(shí)器和控制電路進(jìn)行供電。

一種高性價(jià)比的設(shè)計(jì)方案

在空調(diào)設(shè)備和一些白色家電，例如洗碗機(jī)和洗衣機(jī)中，同樣存在著類似的能量轉(zhuǎn)換過程，尤其是帶有集成式冷凝干燥器的設(shè)備。

本文所介紹的這種SMPS（switch-mode power supply，開關(guān)式電源）在沒有外部散熱器的情況下，在65℃的環(huán)境溫度中能夠提供20V 50W的恒定功率，最大負(fù)載可達(dá)70W。它的峰值負(fù)載性能有力支持了電機(jī)啟動(dòng)所需的高電流，支持連續(xù)負(fù)載，有利于減小整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的尺寸、成本和重量。

市面上有很多集成式開關(guān)/控制器元件。本文在這里要介紹的這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例是基于Power Integrations公司的TOPSwitch-HX控制器IC構(gòu)建的。這款控制器在一塊集成電路器件內(nèi)集成了700V的功率MOSFET、高壓開關(guān)電流源、多模PWM控制器、晶振、熱擊穿電路、故障保護(hù)電路和其他一些控制電路（如圖1所示）。

圖1 一個(gè)典型的TOPSwitch-HX回掃應(yīng)用系統(tǒng)，在其開關(guān)/控制器內(nèi)部集成了大部分所需的元件

該器件能夠根據(jù)負(fù)載情況在四種不同的工作模式之間進(jìn)行無縫切換。這使得開關(guān)電源在極寬的功率帶上都能夠恒定地高效工作，在待機(jī)模式下對(duì)于僅1W的輸入功率仍可以提供600mW以上的輸出功率。憑借這些特性，該電源能夠滿足各種已有的和未來的能量守恒標(biāo)準(zhǔn)。

其他設(shè)計(jì)特性

該開關(guān)/控制器在線路欠壓、過壓以及輸出過載情況下，還具有強(qiáng)大的用戶自定義保護(hù)功能。用戶可以在鎖存或自恢復(fù)模式、熱擊穿和自動(dòng)重啟情況下配置它的輸出過壓保護(hù)功能。通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的精細(xì)控制，它大大降低了最大的過載功率，從而支持一些低成本的功率元件（例如MOSFET、變壓器和輸出整流器）。通過改進(jìn)制造工藝，該器件實(shí)現(xiàn)了塑料DIP封裝，MOSFET的導(dǎo)通電阻只有1.8Ω，優(yōu)于前一代產(chǎn)品最小3Ω的導(dǎo)通電阻。結(jié)合66kHz的較低開關(guān)頻率，它使得很多應(yīng)用都不再需要外部散熱器。

這些開關(guān)特性也十分有利于白色家電類的應(yīng)用。它的雙列直插式封裝在高壓針腳之間實(shí)現(xiàn)了>3.2mm的漏電/間隙，在高濕度和污染環(huán)境下能夠有效防止產(chǎn)生表面漏電流。其熱擊穿是能夠自動(dòng)恢復(fù)的，具有較寬的滯后效應(yīng)，能夠在各種故障情況下保持安全的PCB溫度。自動(dòng)重啟功能能夠在輸出短路和反饋環(huán)開路的情況下起到保護(hù)作用。這些經(jīng)過改進(jìn)的安全特性在故障情況下完全能夠保護(hù)電源和負(fù)載，能夠防止過熱甚至火災(zāi)的發(fā)生，這對(duì)于經(jīng)常在夜間運(yùn)行無人值守的設(shè)備而言是至關(guān)重要的。

詳細(xì)設(shè)計(jì)

圖2給出了完整的開關(guān)電源電路

該設(shè)計(jì)符合ENN55022和CISPR-22 Class B電源EMI限制，并具有較大的余量。差接EMI濾波功能是由X電容C1實(shí)現(xiàn)的，而共模EMI濾波功能是由共模扼流圈L1和安全額定Y電容C8實(shí)現(xiàn)的。金屬薄膜式電容C4在位置上靠近開關(guān)電路，用于解耦和直流總線的高頻噪聲，改善差接EMI。

圖2基于開關(guān)/控制器IC設(shè)計(jì)的連續(xù)負(fù)載50W、峰值負(fù)載70W的開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)了高效而可靠的電路
D2、R17和C34構(gòu)成了一個(gè)RCD鉗位器，能夠防止漏極電壓尖脈沖損壞U4中的集成MOSFET。齊納二極管VR1用于確保最大的鉗位電壓，在正常工作情況下不會(huì)導(dǎo)通。由D13整流并由C13濾波的變壓器T1上的偏置線圈對(duì)開關(guān)供電，并提供光耦合器U2所需的控制電流。

U2構(gòu)成了輸出反饋回路，它的偏置點(diǎn)通過TL431并聯(lián)調(diào)節(jié)器U3來設(shè)置，R10和C36對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)提供了補(bǔ)償。R27和C35形成的網(wǎng)絡(luò)用于提高相位容限，當(dāng)光耦合器U2A不導(dǎo)通時(shí)，R9為并聯(lián)調(diào)節(jié)器U3提供偏置電流。R26決定了整個(gè)環(huán)路增益，并且限制了U2A上的瞬態(tài)電流。

重要的轉(zhuǎn)換功能為高效能應(yīng)用提供了有力的支持。這款開關(guān)電源能夠在185～265VAC的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。這一設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性在于它在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)都能夠保持極高的效率（如圖3所示）。

圖3 各種線電壓下效率與負(fù)載的關(guān)系

如前所述，該電源在極寬的功率帶上都能夠保持很高的工作效率，包括在待機(jī)模式下為1W的輸入功率提供超過600mW的輸出功率。