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[導(dǎo)讀]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)?! ≡谠S多國家,能源需求高峰一

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(shí)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?yàn)槊磕甓紩谠瓉淼幕鶖?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(jìn)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(jī)驅(qū)動器為標(biāo)準(zhǔn)交流異步電機(jī)或無刷直流壓縮機(jī)供電。不過,這些先進(jìn)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(jìn)行工作,又能供應(yīng)風(fēng)扇電機(jī)啟動時所需的峰值電流。下面將要介紹的電源設(shè)計(jì)則完全能滿足這些要求,而且它的制造成本不高,進(jìn)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(jī)蒸發(fā)風(fēng)扇,5V輸出則用于電子控制元件。連續(xù)負(fù)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(jì)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(jī)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(fù)載而不是峰值功率進(jìn)行設(shè)計(jì),這樣可以進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)的話,銅使用量還會得到進(jìn)一步降低。此外,由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET,設(shè)計(jì)出的電源要比使用TinySwitch-III系列器件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)。

  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(fù)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(hù)、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(jì)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(dá)到限流點(diǎn)時,MOSFET才會關(guān)斷。由于TinySwitch-PK設(shè)計(jì)的最高流限值與頻率是定值,它提供給負(fù)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(jìn)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?fù)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(dú)特的峰值功率模式。負(fù)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(diǎn)達(dá)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(diǎn),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(jì)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(jì)成本。雖然本設(shè)計(jì)屬于非隔離式設(shè)計(jì),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(jìn)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(dú)特的峰值模式特性可以在峰值負(fù)載條件下將電流限流點(diǎn)提升30%,并使開關(guān)頻率增大一倍,達(dá)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。[!--empirenews.page--]設(shè)計(jì)中有兩個元件可用來提升效率。元件D6和VR1與電容C3一起組成箝位電路,這有助于恢復(fù)部分漏感能量。為了降低空載輸入功率和提高輕載效率,R3從變壓器的輔助偏置繞組為U1反饋電流。這樣可以獲得非常寬的高效率范圍。

  TinySwitch-PK開關(guān)集成了用以降低EMI的頻率抖動功能,該功能又可以通過次級側(cè)緩沖器(R7、C11、R8和C15)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。雖然在峰值負(fù)載條件下會發(fā)生倍頻,但只需為132kHz頻率設(shè)計(jì)EMI抑制電路便可實(shí)現(xiàn)正常工作。

  這款電源在通用AC輸入電壓范圍內(nèi)均具有80%的效率,可以用來驅(qū)動空調(diào)中的電子控制元件和電機(jī)。

 

 


  圖2為空調(diào)電源的完整電路圖。反激式設(shè)計(jì)具有極高的能效,能夠滿足CEC 2008/能源之星對帶載模式效率的要求(效率可達(dá)80%,要求為74.9%),并且在265VAC條件下的低負(fù)載功耗小于160mW。該電源在高溫環(huán)境(TAMB=85℃)下可實(shí)現(xiàn)所有性能,并且集成有精確的遲滯熱關(guān)斷保護(hù)功能。本設(shè)計(jì)包含有效的EMI保護(hù)功能,符合CISPR-22/EN55022B傳導(dǎo)EMI限值,且EMI裕量>10dBmV。該電源能夠承受不定時的短路輸出條件,并在故障消除后自動重啟動。

雖然本設(shè)計(jì)屬于非隔離式設(shè)計(jì),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(jìn)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(dú)特的峰值模式特性可以在峰值負(fù)載條件下將電流限流點(diǎn)提升30%,并使開關(guān)頻率增大一倍,達(dá)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。

  設(shè)計(jì)中有兩個元件可用來提升效率。元件D6和VR1與電容C3一起組成箝位電路,這有助于恢復(fù)部分漏感能量。為了降低空載輸入功率和提高輕載效率,R3從變壓器的輔助偏置繞組為U1反饋電流。這樣可以獲得非常寬的高效率范圍。

  TinySwitch-PK開關(guān)集成了用以降低EMI的頻率抖動功能,該功能又可以通過次級側(cè)緩沖器(R7、C11、R8和C15)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。雖然在峰值負(fù)載條件下會發(fā)生倍頻,但只需為132kHz頻率設(shè)計(jì)EMI抑制電路便可實(shí)現(xiàn)正常工作。

  這款電源在通用AC輸入電壓范圍內(nèi)均具有80%的效率,可以用來驅(qū)動空調(diào)中的電子控制元件和電機(jī)。

 

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