提高空調(diào)能效水平的新型電源設(shè)計

隨著近期世界石油價格的飆升，能源消耗成本開始成為倍受關(guān)注的問題。平均而言，建筑物占到二氧化碳排放總量的40%，根據(jù)能源之星的研究數(shù)據(jù)，住宅中50%的能源都消耗于供暖和冷卻系統(tǒng)。

　　在許多國家，能源需求高峰一般出現(xiàn)在夏季，而不是冬季，這是由于人們會在夏季大量使用空調(diào)。在美國，這種情況早已司空見慣，而在日本、歐洲以及印度和中國等發(fā)展中國家，空調(diào)的使用也越來越普及。事實上，在中國，空調(diào)的使用量在過去5年中已經(jīng)增加了4倍，從每百戶8臺增至每百戶31臺。

　　從全世界的范圍來看，空調(diào)對能源消耗總量的影響是非常巨大的，因為每年都會在原來的基數(shù)上新增3500萬臺空調(diào)。在此情形下，許多國家紛紛出臺了新的法規(guī)，旨在提高空調(diào)和熱泵的效率。

　　只有采用先進的電子技術(shù)，才能滿足日益嚴(yán)格的新空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)，比如使用變速電機驅(qū)動器為標(biāo)準(zhǔn)交流異步電機或無刷直流壓縮機供電。不過，這些先進的系統(tǒng)往往需要使用復(fù)雜的多路輸出電源：既能以高效率進行工作，又能供應(yīng)風(fēng)扇電機啟動時所需的峰值電流。下面將要介紹的電源設(shè)計則完全能滿足這些要求，而且它的制造成本不高，進行大量生產(chǎn)時可以確保良好的性能一致性。該電源可以提供兩個電氣隔離的12V輸出，是半橋IGBT的理想驅(qū)動，12V輸出用于驅(qū)動壓縮機蒸發(fā)風(fēng)扇，5V輸出則用于電子控制元件。連續(xù)負載為17.7W，并可由90V~265V通用電源輸入電壓提供29.7W的峰值輸出。

　　該電源使用離線式開關(guān)IC TinySwitch-PK設(shè)計而成，該器件由Power Integrations公司(PI)生產(chǎn)，非常適合空調(diào)風(fēng)扇電機等要求提供峰值功率的應(yīng)用。

　　TinySwitch-PK所具有的峰值處理特性使電源變壓器可以根據(jù)連續(xù)功率負載而不是峰值功率進行設(shè)計，這樣可以進一步減小變壓器磁芯的尺寸。變壓器的尺寸以及制造所需的銅鐵數(shù)量現(xiàn)在已成為越來越重要的考慮因素。

　　與小型線性電源通常需使用75gm銅相比，開關(guān)電源變壓器所需的銅要少得多，如果使用TinySwitch-PK進行設(shè)計的話，銅使用量還會得到進一步降低。此外，由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET，設(shè)計出的電源要比使用TinySwitch-III系列器件設(shè)計出的電源更小些。再加上可以省去其它元件，最終的電源將比線性電源更具成本優(yōu)勢，與此同時，在能源效率和空載功耗方面仍具備開關(guān)電源的所有優(yōu)勢。該器件高度集成，需要極少的外部元件，因此可以在單面印刷電路板上實現(xiàn)電源設(shè)計。

　　TinySwitch-PK采用了經(jīng)PI優(yōu)化的開/關(guān)控制方法。開/關(guān)控制與傳統(tǒng)的PWM控制器所采用的方法截然不同，它在整個功率負載范圍內(nèi)均具有非常平坦的效率特性。

　　TinySwitch-PK集成了一個700V的功率MOSFET、振蕩器、開/關(guān)控制器、電流限流(用戶可選)及熱關(guān)斷電路。其它特性包括集成的自動重啟動、輸入欠壓和輸出過壓保護、遲滯熱關(guān)斷以及降低EMI的頻率抖動。

　　圖1為TinySwitch-PK反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的設(shè)計范例。在使能狀態(tài)下，振蕩器在每個開關(guān)周期開始時都會導(dǎo)通功率MOSFET，變壓器初級側(cè)的電流開始增大。當(dāng)電流達到限流點時，MOSFET才會關(guān)斷。由于TinySwitch-PK設(shè)計的最高流限值與頻率是定值，它提供給負載的功率與變壓器初級電感及峰值初級電流的平方成正比。

　　TinySwitch-PK的內(nèi)部振蕩器始終工作。它在每個時鐘周期上升沿對EN/UV引腳進行取樣，來決定是否執(zhí)行一個開關(guān)周期，并根據(jù)多個周期的取樣序列確定適當(dāng)?shù)牧飨?。重負載時，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器將流限設(shè)置到最高值。對于TinySwitch-PK而言，當(dāng)狀態(tài)調(diào)節(jié)器將流限設(shè)置到其最高值時，振蕩器頻率也將提高一倍，從而提供獨特的峰值功率模式。負載減輕時，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器會相應(yīng)將流限值的設(shè)置降低。電流限流點達到較低水平時，振蕩器頻率恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值。

　　因此，通過調(diào)節(jié)振蕩器頻率和電流限流點，TinySwitch-PK最高能夠產(chǎn)生的功率是給定變壓器初級繞組圈數(shù)和骨架尺寸的設(shè)計功率水平的280%(使用同樣的集成MOSFET)。再加上其出色的瞬態(tài)響應(yīng)，TinySwitch-PK所具有的功率提升能力可大大降低電源尺寸、重量及設(shè)計成本。雖然本設(shè)計屬于非隔離式設(shè)計，但通過用一個光耦合器來代替晶體管Q1和Q2，可以隔離反饋路徑。

　　二極管D1、D2、D3和D4以及電容C1和C2可以對AC輸入進行整流和平滑。電容C1、C2和共模電感L1提供差模及共模EMI濾波。

　　TinySwitch-PK(U1)中的控制器通過Q1接收來自輸出端的反饋，并根據(jù)該反饋使能或禁止其集成MOSFET的開關(guān)，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。5V輸出端的電流流入并聯(lián)穩(wěn)壓器(U2)，從而可以控制流經(jīng)Q1和Q2中的電流。與其成比例的電流然后從EN/UV腳被拉出。一旦電流超過EN/UV引腳的關(guān)斷閾值電流(115μA)，將跳過開關(guān)周期。當(dāng)EN/UV引腳流出的電流低于關(guān)斷閾值電流時，開關(guān)周期將重新使能。在連續(xù)輸出功率工作條件下，TinySwitch-PK的工作頻率為132kHz。其獨特的峰值模式特性可以在峰值負載條件下將電流限流點提升30%，并使開關(guān)頻率增大一倍，達到264 kHz。

　　為了支持高環(huán)境溫度工作(85℃)，U1采用了一個小型散熱片。