設(shè)計高效AC/DC電源的方法

電源就像保險單－你知道自己需要它，但你寧可永遠都不必用到它。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，電源又和保險單不一樣，因為在過去的20多年里，保險單一直在不斷漲價，而電源則越來越小，功率越來越高，成本越來越低?？s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。

對于AC/DC電源來說，推動這一趨勢的并不是技術(shù)上的新突破，而是良好的設(shè)計，以及創(chuàng)新性地結(jié)合各種工藝和技術(shù)的優(yōu)點來開發(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，其中著重強調(diào)的是結(jié)合各種方案來設(shè)計外形最小成本最低的電源，并實現(xiàn)最高的效率和應(yīng)用靈活性。

我們首先談一談設(shè)計的幾個主要目標(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一步提高功效，因為功效越高，所需的散熱片就越小，這樣才能進一步節(jié)省系統(tǒng)空間。對于100W-200W的電源來說，要實現(xiàn)90％的功效是不太現(xiàn)實的。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產(chǎn)生極大的不同。第三，成本當(dāng)然永遠是最重要的因素，無論是原材料成本還是制造復(fù)雜性方面。簡單設(shè)計是一個重要因素。最后，還要考慮功能?？刂坪蛨缶?a target="_blank">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。使用一個兩階式濾波器可以使電源外形最小化，并實現(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，同時改進冷卻。

功率因數(shù)校正電路（PFC）。由于碳化硅二極管的價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，可以在高輸入線時提供高感應(yīng)，在低輸入線時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，使用諧振拓撲可以基本上消除開關(guān)損耗。這樣不僅改進了電源效率，而且使電源可以使用更小的散熱片。實際使用中，有時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。這是因為散熱片沒有和開關(guān)MOSFETS的損耗耦合的電容。另外，使用陶瓷散熱片時的爬電距離比金屬散熱片所需的距離要短，這就進一步節(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，一個正向電壓0.5V的二極管在20A時的功耗為10W。而如果使用一個開啟時電阻為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)用芯片來進行主轉(zhuǎn)換器電壓控制、過電流保護、過電壓保護和過溫度保護，并控制輸出整流器轉(zhuǎn)換。另外，還可以通過同步單啟動分源、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，備用轉(zhuǎn)換器可以單獨提供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)的占位面積達到了10.55 W/立方英寸的電能密度；

有一個12V或48V的主輸出，另有12V 1A用于驅(qū)動風(fēng)扇，以及一個5V的待機輸出，功率200W；

強迫通風(fēng)冷卻只需12CFM，使用標(biāo)準(zhǔn)的40 x 40mm風(fēng)扇就能很容易實現(xiàn)；強迫通風(fēng)冷卻是目前很多通信系統(tǒng)的通用指標(biāo)，而12CFM是很容易實現(xiàn)的，不需要復(fù)雜的機械裝置。

全負載時功效可達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，仍將繼續(xù)成為推動AC/DC電源設(shè)計改進的主要動力。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，而不能達到徹底的變革。要設(shè)計出最好的電源，就必須使用最新的組件，并以創(chuàng)新型方法加以結(jié)合，來實現(xiàn)更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計目標(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（MIEE）成員，在電源設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用和管理上有20年的經(jīng)驗。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)。