《電子技術(shù)應(yīng)用》
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開關(guān)電源設(shè)計詳解【圖】
摘要: 開關(guān)電源某些參數(shù)做得不好會造成EMC難過關(guān)、待機功耗大、效率不高。如何減小開關(guān)電源的待機功耗、提高開關(guān)電源的效率是全球電源行業(yè)共同關(guān)注的問題。本文配圖講述綠色開關(guān)電源設(shè)計要點。
Abstract:
Key words :

中心議題:

解決方案:


開關(guān)電源某些參數(shù)做得不好會造成EMC難過關(guān)、待機功耗大、效率不高。如何減小開關(guān)電源的待機功耗、提高開關(guān)電源的效率是全球電源行業(yè)共同關(guān)注的問題。本文配圖講述綠色開關(guān)電源設(shè)計要點。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)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(shè)計的成熟,要設(shè)計效率高、待機功耗小的節(jié)能型開關(guān)電源已是不太難的事情,設(shè)計節(jié)能型開關(guān)電源正是適應(yīng)了節(jié)能減排的需求。近幾年來,美國“能源之星”的實施對設(shè)計和制造高性能的節(jié)能型開關(guān)電源起到了推波助瀾的作用。

符合“能源之星”的開關(guān)電源又叫“綠色開關(guān)電源”,針對開關(guān)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(guān)電源的效率越來越高,待機功耗越來越小,但設(shè)計難度也會越來越大。開關(guān)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(shè)計的平均效率是在負載的四個測試點進行實際測量,這四個點是:25%,50%,75%及1 0 0%,設(shè)計是有一定難度的。

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(shè)計依據(jù)來闡述設(shè)計綠色開關(guān)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(guān)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(guān)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(shè)計和生產(chǎn)綠色開關(guān)電源的。
              輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開關(guān)電源
圖一所示是輸出為12V3A的并聯(lián)型反激式開關(guān)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(guān)電源的設(shè)計要點  

綠色開關(guān)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(yīng)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(guān)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(guān)電源芯片 0B2269AP,其正常工作功耗小于30mW,工作穩(wěn)定。

開關(guān)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(fù)制人家的優(yōu)質(zhì)開關(guān)變壓器很難做成損耗小的開關(guān)變壓器的,因為開關(guān)變壓器的損耗是一個復(fù)雜的關(guān)系,與磁芯的品質(zhì)、設(shè)計、繞制工藝等有關(guān)。拿設(shè)計反激式開關(guān)變壓器而言,它與工作頻率、導(dǎo)通時間、繞制方法、磁隙(磨磁芯)等有關(guān)。開關(guān)變壓器的設(shè)計是設(shè)計開關(guān)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(guān)電源設(shè)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(shè)計出效率高于97%的開關(guān)變壓器。圖一中的開關(guān)變壓器的磁芯選用浙江天通的EE-30L,開關(guān)工作頻率為65KHz,導(dǎo)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(luò)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(guān)。經(jīng)測試,該網(wǎng)絡(luò)的損耗小于0.4W。要注意,該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是與電源芯片、工作頻率、變壓器的設(shè)計有關(guān)的,不能應(yīng)用于所有開關(guān)電源的電路。

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(guān),故要在二極管兩端并聯(lián)尖脈沖吸收網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)的功率損耗小于0.25W。同樣要注意,吸收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計也與電源芯片、開關(guān)頻率、肖特基二極管的特性、變壓器的設(shè)計有關(guān)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(shè)計與電源的工作頻率、輸出電流有關(guān)。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(shè)計的反激式開關(guān)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(guān)的要求。

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

隨著人們低碳生活的需求,開關(guān)電源的能效要求會越來越高,開關(guān)電源的設(shè)計難度也會越來越大,這就要求開關(guān)電源設(shè)計工程師不斷更新知識,熟悉新材料,學(xué)習(xí)新技術(shù),掌握新工藝,對技術(shù)精益求精,這樣才能設(shè)計出高品質(zhì)的綠色開關(guān)電源。

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