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翻译:谐振电源转换器——一种满足能源之星第2版规定的低成本方法

2008-10-11 19:30:42 | 分类: 技术笔记
作者:CamSemi公司Neil Massey
 
作者简介
Neil Massey是CamSemi公司的AC-DC控制器产品线经理,目前在位于台湾台北的公司应用设计中心工作。他拥有超过20年的电子领域经验,其绝大部分时间都在研究消费和汽车应用的电源管理。在CamSemi之前,Neil曾在包括恩智浦半导体、Ultra Electronics和劳斯莱斯等公司担任多个工程设计和国际营销管理职务。在Thorn EMI Electronics他作为一名电子工程师开始了他的职业生涯。
 
欲了解进一步信息,请发送电子邮件至neil.massey@camsemi.com
 
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一种新颖的谐振拓扑结构有助于实现用于大批量、价格敏感的消费市场的离线式电源,轻松满足能源之星第2版(Energy Star V2的能效标准,产生的电磁干扰(EMI非常。一种用于调制解调器适配器的设计显示了该技术所提供的优势。
 
由于成本低、简单的设计和低EMI,线性电源过去经常是大批量消费类市场中单电压轨AC-DC应用的理想解决方案。但是,原材料成本的不断上升,特别是用于变压器的钢材和铜材成本的不断增加,鼓励许多制造商考虑转向可作为替代的、更节能的解决方案的优势。不过,制造商将不再拥有选择自己决定的权利。
 
能源之星第2版(ES2)将于今年11月1日生效,这将立即迫使所有制造商停止生产无法满足商定运行效率和空载标准的充电器和适配器。例如,一个典型12 W线性电源可以实现大约50%的效率和1 W的空载功耗,而ES2要求的效率最低为78%,空载功耗仅为300 mW。虽然该标准目前仅用于外置电源,但是这类和其他能效规定扩展至嵌入式单元大概只是一个时间问题。
 
表1总结了外置电源新的要求和标准的完整版本,描述了可以在线使用的AC-AC和AC-DC外置电源的公式[见参考文献1]。
 
表1:ES2的主动模式和空载规范实例。
铭牌输出(Pno
激活模式下的最低平均效率
标准型号
0至≤1 W
≥0.480×Pno +0.140
>1至≤49 W
≥[0.0626×Ln(Pno)] + 0.622
>49至≤250 W
≥0.87
 

铭牌输出(Pno
激活模式下的最低平均效率
低压型号(Vout6 V,Iout≥550 mA)
0至≤1 W
≥0.497×Pno +0.067
>1至≤49 W
≥[0.0750×Ln(Pno)] + 0.561
>49至≤250 W
≥0.86
 
铭牌输出(Pno
空载最大功率(所有型号)
AC-AC EPS
AC-DC EPS
0至<50 W
≤0.5 W
≤0.3 W
≥50至≤250 W
≤0.5 W
≤0.5 W
 
虽然ES2的上限是250 W,但是迄今为止为高量产消费类电子产品供电的大多数电源都降至了1至75 W范围以内。表2所示为必须满足新标准的一些典型低功耗外置电源的最低效率和最大空载功耗。不过,同样值得注意的是,虽然能源之星通常只被视为美国的计划,但是它已成为了全球推动节能的一个重要标志。例如,欧盟(EU)行为规范外置电源第3版——预计在2009年1月生效——其要求有很多类似,其他大多数国家和地区也正在使其计划直接遵循或符合能源之星[见参考文献2]。
 
表2:典型消费类电子产品电源的最低新标准
铭牌功率
电压
效率
空载功耗
5 W
5 V
≥68%
≤300 mW
6 W
9 V
≥73%
≤300 mW
10 W
5 V
≥73%
≤300 mW
12 W
12 V
≥78%
≤300 mW
 
电源设计人员的挑战是实现线性转换器的一种真正的低成本替代,从而可以完全符合这些新的标准,同时提供最终应用所需的性能。
 
反激式SMPS或自激式转换器(RCC)已作为线性电源唯一的可行替代方案得到了广泛推广。在某些情况下,RCC电路能够满足ES2要求,而且它是反激式拓扑结构,可以实现所需的效率和空载功耗,以及额外的保护功能。但是,这些效率的提高需要付出代价,因为两种拓扑结构都可能导致比线性电源高得多的材料成本(BOM),尤其是在较低功耗的应用中。
 
此外,两种拓扑结构的快速切换、非常矩形的波形会造成在广泛频谱进行传播时相当大量的电磁噪声。SMPS控制器核心中的抑制滤波器和降低技术能够解决这个问题,但是它们会增加成本、设计复杂性并需要专业技巧。即便有了广泛的滤波,也难以实现音响、无绳电话和调制解调器等产品所需的极低的EMI水平。
 
谐振拓扑结构有助于实现目标
谐振正激式转换器能够克服线性和反激式设计的缺点,材料成本较低,而且可以超过最新的效率和空载功耗目标。不同于反激式转换器,谐振正激式转换器在近零电压和电流条件下开关,可以最大限度地降低开关损耗,并因此超过反激式拓朴结构能够提供的效率水平。例如,一个典型的反激式电源在6 W条件下可以实现70%至75%的运行效率,而一个正激式转换器实现的效率可以超过85%。
 
而且,由于其平滑的正弦曲线开关波形,谐振转换器产生的EMI很少,在许多情况下无需滤波元件。但是直到最近,由于额外成本和控制方面固有的困难,设计人员都无法在低功耗消费类应用中使用这种有前途的方法。
 
可实现单开关谐振非连续正激式转换器的新型控制器IC(RDFC)已经面市,它可以实现反激式转换器才能提供的性能、保护、安全和尺寸方面的优势,而没有相关的成本和EMI缺点。RDFC方案易于利用更为简单的电路、较少的元件数,以及一两个步骤来减小变压器的铁芯尺寸,以超过ES2的要求。当初级开关电路关闭时,RDFC采用一种正激模式进行能量转移,而反激式转换器是将其隔离变压器作为一个存储转移能量的电感器来操作。因此,一个给定功率级的反激式转换器要求较大的铁芯尺寸,铁芯也会导致更高的功耗。
 
RDFC拓扑结构的谐振开关技术自然可以降低EMI,简化设计并有助于最大限度地降低构建成本和PCB面积。该拓扑结构不需要传统正激式转换器所需的次级续流二极管
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