EPS的節(jié)能設(shè)計(jì)方案面面觀

前言

　　最近幾年電源產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)步，但與此同時(shí)，當(dāng)今能源浪費(fèi)的問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題，突出的問(wèn)題包括：使用礦物燃料的能源資源是有限的，獲取能源的成本也在增加，礦物燃料的消耗也帶來(lái)其它負(fù)面影響（即環(huán)境污染），而可替代能源資源還沒(méi)有成熱。所有的家電產(chǎn)品和電子設(shè)備都要消耗電力。不斷增長(zhǎng)的個(gè)人用電子產(chǎn)品通過(guò)使用適配器和充電器——外部電源（EPS）——也在消耗能源外部電源。

　　那每年到底消耗多少能源呢？ 能源浪費(fèi)的數(shù)量：估算的每年銷(xiāo)售的EPS為10億個(gè)以上；估算的正在使用的EPS為100億個(gè)低效線(xiàn)性電源所占EPS的%欠為46%（幾乎一半）。如，世界上某發(fā)達(dá)國(guó)家每年EPS浪費(fèi)的能源30 to 60BkW-小時(shí)，約浪費(fèi)25-50億美金，它等效于26個(gè)中等規(guī)模的電廠！

　　1 節(jié)能理念來(lái)推動(dòng)或重新設(shè)計(jì)

　　電源在輕載時(shí)的高效率是關(guān)鍵因素。工作模式的效率是當(dāng)電源工作在25%、50%、75%及100%負(fù)載時(shí)效率的平均值：在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)持續(xù)的高效率比重載時(shí)的高效率更加重要；最理想的控制方案是隨負(fù)載的降低頻率也相應(yīng)地降低。

　　為了解決電源系統(tǒng)提供更高的能量利用效率，國(guó)際上頒布了許多標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際能源署“1W計(jì)劃”、美國(guó)新版能源之星、美國(guó)80 PLUS等。那有哪些新的EPS能效標(biāo)準(zhǔn)？

　　新的外部電源（EPS）能效標(biāo)準(zhǔn)：適用于所有功率從小于1W到250W的單路輸出的外部電源（EPS）；等同于EnergyStar（EPA）標(biāo)準(zhǔn)（CEC，CECP，AGO，EU）；同時(shí)適用于AC-DC和AC-AC適配器及充電器；美國(guó)其它的州也會(huì)用此的標(biāo)準(zhǔn)/法規(guī)正在進(jìn)行中；中國(guó)CECP標(biāo)準(zhǔn)從2005年1月1日開(kāi)始生效；在澳大利亞從2006年4月1日開(kāi)始生效；歐盟從2007年1月1日也將采用標(biāo)準(zhǔn)中工作模式時(shí)的相應(yīng)規(guī)定。

　　隨著這些新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，對(duì)電源設(shè)計(jì)有了新的挑戰(zhàn)。為此，需要有新的舉措來(lái)面對(duì)新的挑戰(zhàn)。首先是那就是要用節(jié)能理念來(lái)推動(dòng)或重新設(shè)計(jì)。即節(jié)能已成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求；而今60%的現(xiàn)有方案都無(wú)法滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)的要求；關(guān)于外部電源（EPS）的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布；不少公司新推出的產(chǎn)品系列能令您的設(shè)計(jì)符合所有日前及提議中的標(biāo)準(zhǔn)。再則要用新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如為了降低待機(jī)模式的能耗，安森美半導(dǎo)體則側(cè)重于其他技術(shù)，如跳周期待機(jī)模式，PWM控制器主控PFC（輕載時(shí)關(guān)斷PFC以降低待機(jī)能耗）。此外，將諸多新技術(shù)和功能集成到芯片內(nèi)，如DDS（動(dòng)態(tài)自供電）、頻率抖動(dòng)、Soxy-less（無(wú)線(xiàn)圈去磁檢測(cè)）等，可起到簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)的作用，也相應(yīng)減少了功率損耗值此僅就選擇節(jié)能芯片和利用利用智能電源管理技術(shù)節(jié)省能源二個(gè)方面來(lái)研對(duì)。

　　2 節(jié)能芯片的選擇

　　2.1 LinkSwitch-LP器件特點(diǎn)及工作方式

　　LinkSwitch-LP系列的產(chǎn)品特性：易于設(shè)計(jì)、外圍元件數(shù)目很少的解決方案；原邊電路控制器在負(fù)載超過(guò)峰值功率點(diǎn)時(shí)限制了輸出電流——無(wú)需電流檢測(cè)電阻；完善的故障保護(hù)——過(guò)熱、短路及開(kāi)環(huán)；可在通用輸入電壓范圍（85-265VAC）內(nèi)操作；圖1為典型應(yīng)用的非而簡(jiǎn)化電路（a）及輸出特性（b）。突出的特點(diǎn)是節(jié)能技術(shù)：無(wú)需任何附加元件，輕松達(dá)到全球所有的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；在265VAC輸入時(shí)的空載能耗150mW；開(kāi)/關(guān)控制可在極輕負(fù)載時(shí)具備恒定的效率——是達(dá)到強(qiáng)制性CEC標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。

　　從圖1可知那就是：頻率抖動(dòng)降低了EMI，采用簡(jiǎn)單的EMI濾波；電感即用于濾波又用于保險(xiǎn)絲功能，見(jiàn)圖1中A點(diǎn)部分；內(nèi)部高壓恒流源省去了啟動(dòng)和偏置電路，見(jiàn)圖1中B點(diǎn)部分； 內(nèi)部電流檢測(cè)電路省去了外圍的電流檢測(cè)電阻見(jiàn)圖1中c點(diǎn)部分；嚴(yán)格的器件參數(shù)公差，低的限流點(diǎn)，允許初級(jí)繞組上不使用箱位電路，見(jiàn)圖1中D點(diǎn)部分；低成本的變壓器反饋穩(wěn)壓，見(jiàn)圖1中E點(diǎn)部分；輸出電壓由分壓電阻決定，有精確的FB腳電壓見(jiàn)，圖1中F點(diǎn)部分；開(kāi)/關(guān)操作不需要頻率補(bǔ)償元件，見(jiàn)圖1中G點(diǎn)部分。針對(duì)有最低成本要求，且對(duì)恒壓/恒流要求寬松的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

　　2.2 典型應(yīng)用

　　圖2顯示的是一個(gè)典型的用LNK564IC構(gòu)成的6V330mA恒壓/恒流（CV/CC）輸出電源電路的替代方案。值此對(duì)方案特點(diǎn)作一分析。

　　2.2.1 輸入電路

　　AC輸入差模濾波可由C1和L1形成的極低成本的輸入濾波器得以實(shí)現(xiàn)。LNK564的頻率抖動(dòng)特性省去輸入pi（C、L、C）濾波元件，僅需要一個(gè)大容量電容。加上一個(gè)套管還可使輸入電感L1既用作保險(xiǎn)絲，又用作一個(gè)濾波元件。這一簡(jiǎn)單的Filterfuse（濾波保險(xiǎn)絲）輸入級(jí)更進(jìn)一步地降低了系統(tǒng)成本。

　　另一個(gè)可選方案是用一個(gè)保險(xiǎn)絲電阻RFl來(lái)提供保險(xiǎn)絲的功能。

　　在某些應(yīng)用中如果允許EMI的裕量較低及/或降低的輸入耐浪涌能力，那么可以從中線(xiàn)上取掉輸入二極管D2。在這類(lèi)應(yīng)用中，D1需要是一個(gè)耐壓為800V的二極管。

　　2.2.2 關(guān)于LNK564開(kāi)/關(guān)控制

　　該設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的偏置繞組（T1脈沖變壓器/1.2）電壓反饋方式，由LNK564進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，由R1及R2形成的電阻分壓器決定了脈沖變壓器T1偏置繞組上的輸出電壓。在V/I曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1（b））上的恒壓工作區(qū)域，LNK564器件使能/禁止開(kāi)關(guān)周期以維持FB引腳的電壓為1.69V。二極管D3及低成本陶瓷電容C3提供初級(jí)反饋繞組（T1/3.4）電壓的整流濾波功能。當(dāng)加重的負(fù)載超出恒定功率閾值，F(xiàn)B引腳電壓開(kāi)始隨電源輸出電壓的下降而降低。內(nèi)部振蕩器頻率在這一區(qū)域內(nèi)線(xiàn)性下降，直到達(dá)到啟動(dòng)頻率50%為止。當(dāng)FB引腳電壓下降到低于自動(dòng)重啟動(dòng)閾值（FB引腳通常為0.8V，這相當(dāng)于電源輸出電壓在1V到1.5V之間），電源將關(guān)斷100ms，然后再重新開(kāi)啟100ms。它將會(huì)持續(xù)進(jìn)行這一工作模式直到FB腳超過(guò)自動(dòng)重啟動(dòng)閾值。這一功能在輸出短路的情況下可降低平均輸出電流。

　　該方案中，可將C3提高到0.47mF或更高來(lái)進(jìn)一步降低空載耗。

　　由于LNK564中使用了限流調(diào)節(jié)技術(shù)從而使得限流點(diǎn)公差非常精確，同時(shí)采用較新的變壓器結(jié)構(gòu)技術(shù)得以在初級(jí)電路中實(shí)現(xiàn)無(wú)箝位電路的設(shè)計(jì)。峰值漏極電壓在265VAC輸入時(shí)可以控制在550V之下，對(duì)700V耐壓（BVDss）的MOSFET管來(lái)說(shuō)有非常大的裕量。

　　2.2.3 輸出電路管的選擇

　　輸出的整流濾波由輸出整流管D4和濾波電容C5來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　由于自動(dòng)重啟動(dòng)特性，平均短路輸出電流大大低于1A，因而可以使用低成本的D4整流管。輸出電路只要能處理電源輸出短路時(shí)的持續(xù)短路電流就可以了。二極管D4為超快恢復(fù)型二極管，用來(lái)優(yōu)化輸出V/I特性。備選電阻R3作為假負(fù)載，在空載輸出時(shí)將輸出電壓加以限制。盡管存在這個(gè)假負(fù)載，空載能耗在265VAC時(shí)仍能保持在140mW左右的目標(biāo)范圍內(nèi)。通過(guò)將R3的值提高到2.2kW或更高，就可滿(mǎn)足更低的空載能耗要求，并同時(shí)可將輸出電壓限制在9V以下。如需要，可將備選的Zener（齊納）嵌位二極管（VRl）安裝在電路板的左側(cè)的空白位置以便在開(kāi)環(huán)情況下限制電源最大輸出電壓。