滿足高能效標準的低功率充電器與適配器設計
上網(wǎng)時間 : 2005年05月08日

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美國和歐盟都出臺了多個低能耗標準,這些標準對無負載功耗以及最小活動模式效率作出了嚴格規(guī)定,對功率充電器與適配器的設計帶來一定挑戰(zhàn).本文介紹了當前全球主要的能效標準發(fā)展情況,在比較幾種電源方案的特點基礎上,提出了基于LinkSwitch器件的集成電源設計方案.


圖1:相似額定值指標的線
性與開關適配器效率比較.
在美國,各個州都實施了不同的能效規(guī)定,并通過增加其效率來減少這些設備的能耗.這些規(guī)定大多數(shù)均為非強制性的,且允許廠商用相應的標志(如美國的能源之星)來標記其產品滿足這些要求.
美國加州能源委員會(CEC)最近推出了覆蓋各種產品(包括電冰箱、照明及音視頻產品等)的強制性能效標準.還包括一項用于單電壓、外部AC-AC及AC-DC電源的標準.從2006年7月起,所有在加州(全球第七大市場)銷售的由單輸出外部適配器供電的新產品均必須滿足該強制性CEC標準.美國其他幾個州也正在考慮采用此項標準.
該CEC標準規(guī)定了無負載功耗以及最小活動模式效率.所有這三項規(guī)定都根據(jù)電源的標稱輸出功率指標制定.必須滿足的效率值并不是簡單的全負載效率,而是分別在25%、50%、75%及100%額定輸出功率上所測得的平均效率.這意味著,符合要求的電源必須在整個活動模式工作范圍內高效率地工作.對于通用輸入設計,必須在115VAC及230VAC兩種輸入上滿足該標準.所有這些要求使得該項標準顯得特別嚴格.
盡管歐盟(EU)的效率目標通常不那么嚴格(在大多數(shù)情況下,效率較低且僅在滿負載條件下測量),但EU標準中的無負載功耗指標要低于CEC的相應要求(對于低功率適配器為300mW比500mW).這使得選擇可滿足多項全球標準的電源解決方案(如果可能)更為重要.
圖1顯示兩種具有相同功率指標(2.7W)的充電器與一種“未調節(jié)線性解決方案”


圖2:采用LinkSwitch設計的
2.75 W適配器(EP 54)的原理圖.
的三條效率曲線,以及兩條本文介紹的用LinkSwitch器件設計的解決方案的效率曲線.線性適配器分別在25%、50%、75%及100%(能源之星及CEC各項規(guī)定)測得的平均效率僅為52.8%,低于標準所要求的58%.此外,760mW的無負載功耗明顯超過標準要求的500mW指標.調節(jié)線性適配器的性能甚至更糟,因為開關晶體管(調節(jié)器)會進一步減少其活動模式效率.因此OEM們在2006年7月1日以后將不能銷售含有線性充電器或適配器的電子產品.
幾種開關電源設計的比較
盡管開關電源比線性電源效率更高,但設計一種在其大部分活動模式范圍內具有高效率及低無負載功耗的電源適配器仍極具挑戰(zhàn).
在功率低于50W時,回掃電路仍是一種最具成本效益的電路拓撲.回掃轉換器的實現(xiàn)方法有多種,表1列出了幾種常見的實現(xiàn)方法,并比較材料成本、元件數(shù)、設計復雜性、整體效率及無負載功耗.
振鈴扼流變換器(RCC)的材料成本似乎很有吸引力,但還必須考慮其整體系統(tǒng)成本.RCC設計不僅最復雜而且很難進行可靠的大批量生產,且常常還伴有嚴重的良品率問題.高器件數(shù)要求采用通孔及表面貼裝元件,從而增加了裝配的時間及成本.最重要的是,RCC轉換器擁有較差的輕負載效率及較高的無負載功耗.隨著RCC的負載減小,其開關頻率升高,這會增加開關損耗并降低效率.要滿足這些新要求,必須設計一種更加復雜的RCC,或其滿負載效率必須很高以補償在其他測試點上的低效率.在無負載情況下,啟動電路(通常是一串與直流電壓相連的高阻值電阻)中的損耗會減少電源中其他損耗的余量.這些因素都會極大地增加RCC解決方案的成本.
分立PWM控制器件及MOSFET方法可提供較佳的性能.很多控制器都擁有內置“猝發(fā)模式”(burst mode),這種模式可通過降低平均開關頻率來減少空載功耗.猝發(fā)模式一般僅在空載或極輕負載條件下才發(fā)生,因此圍繞這些控制器而設計的解決方案在猝發(fā)模式開始前仍會出現(xiàn)較低的輕負載效率.此外,可能需要用極高滿負載效率設計來彌補不佳的輕負載效率,但不可避免地會增加電源的器件成本.
集成電源解決方案


表1:常見回掃轉換器實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點.
集成解決方案(控制與功率器件位于同一IC上)可提供最佳的整體效益及成本.低器件數(shù)不僅能簡化設計與生產,而且還能使用具有成熟能效模式的IC來更加容易地滿足CEC等苛刻標準要求.為進一步簡化設計,許多IC廠商都提供各種免費工具.例如一些公司提供工具不僅能自動完成大部分設計,而且還能提供關鍵的變壓器構造細節(jié),如磁芯類型、材料、尺寸、氣隙寬度、線徑、線型、繞組次序及骨架起止引腳等.構造細節(jié)可用來在實驗室制造原型變壓器,或提供給磁芯供應商用于加工.
在獲得解決方案后,軟件可提供很多的優(yōu)化設計的方法.圖2顯示一款根據(jù)LinkSwitch器件設計的2.75W適配器(EP 54)的原理圖.
由于有較高的集成度,故設計極為簡單.通過變壓器上的一個輔助繞組來感應輸出電壓,并通過電阻R4饋入U1的控制引腳.LinkSwitch用來提供高達峰值功率點的恒定電壓(CV)調節(jié),以及通過該峰值功率點提供的恒定電流(CC)調節(jié).這使得該解決方案非常適合于電池充電或只需電壓的應用,因為CC特征可提供出色的過載與短路保護.從輕負載到空載,該器件可將其開關頻率降低30%以減少功耗.
此例中的變壓器是采用PI Expert Suite(6.0版)中的工具來產生的,包括可減少所需EMI濾波器的數(shù)量與尺寸的屏蔽繞組.在此電路中,一個簡單的pai型濾波器(由C1、L1和C2組成)即足以衰減所傳導的EMI噪聲.采用LinkSwitch設計(EP 54)可輕易地滿足CEC效率與無負載標準.
作者:Peter Vaughan