满足高能效标准的低功率充电器与适配器设计
上网时间 : 2005年05月08日
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美国和欧盟都出台了多个低能耗标准,这些标准对无负载功耗以及最小活动模式效率作出了严格规定,对功率充电器与适配器的设计带来一定挑战.本文介绍了当前全球主要的能效标准发展情况,在比较几种电源方案的特点基础上,提出了基于LinkSwitch器件的集成电源设计方案.
图1:相似额定值指标的线
性与开关适配器效率比较.
在美国,各个州都实施了不同的能效规定,并通过增加其效率来减少这些设备的能耗.这些规定大多数均为非强制性的,且允许厂商用相应的标志(如美国的能源之星)来标记其产品满足这些要求.
美国加州能源委员会(CEC)最近推出了覆盖各种产品(包括电冰箱、照明及音视频产品等)的强制性能效标准.还包括一项用于单电压、外部AC-AC及AC-DC电源的标准.从2006年7月起,所有在加州(全球第七大市场)销售的由单输出外部适配器供电的新产品均必须满足该强制性CEC标准.美国其他几个州也正在考虑采用此项标准.
该CEC标准规定了无负载功耗以及最小活动模式效率.所有这三项规定都根据电源的标称输出功率指标制定.必须满足的效率值并不是简单的全负载效率,而是分别在25%、50%、75%及100%额定输出功率上所测得的平均效率.这意味着,符合要求的电源必须在整个活动模式工作范围内高效率地工作.对于通用输入设计,必须在115VAC及230VAC两种输入上满足该标准.所有这些要求使得该项标准显得特别严格.
尽管欧盟(EU)的效率目标通常不那么严格(在大多数情况下,效率较低且仅在满负载条件下测量),但EU标准中的无负载功耗指标要低于CEC的相应要求(对于低功率适配器为300mW比500mW).这使得选择可满足多项全球标准的电源解决方案(如果可能)更为重要.
图1显示两种具有相同功率指标(2.7W)的充电器与一种“未调节线性解决方案”
图2:采用LinkSwitch设计的
2.75 W适配器(EP 54)的原理图.
的三条效率曲线,以及两条本文介绍的用LinkSwitch器件设计的解决方案的效率曲线.线性适配器分别在25%、50%、75%及100%(能源之星及CEC各项规定)测得的平均效率仅为52.8%,低于标准所要求的58%.此外,760mW的无负载功耗明显超过标准要求的500mW指标.调节线性适配器的性能甚至更糟,因为开关晶体管(调节器)会进一步减少其活动模式效率.因此OEM们在2006年7月1日以后将不能销售含有线性充电器或适配器的电子产品.
几种开关电源设计的比较
尽管开关电源比线性电源效率更高,但设计一种在其大部分活动模式范围内具有高效率及低无负载功耗的电源适配器仍极具挑战.
在功率低于50W时,回扫电路仍是一种最具成本效益的电路拓扑.回扫转换器的实现方法有多种,表1列出了几种常见的实现方法,并比较材料成本、元件数、设计复杂性、整体效率及无负载功耗.
振铃扼流变换器(RCC)的材料成本似乎很有吸引力,但还必须考虑其整体系统成本.RCC设计不仅最复杂而且很难进行可靠的大批量生产,且常常还伴有严重的良品率问题.高器件数要求采用通孔及表面贴装元件,从而增加了装配的时间及成本.最重要的是,RCC转换器拥有较差的轻负载效率及较高的无负载功耗.随着RCC的负载减小,其开关频率升高,这会增加开关损耗并降低效率.要满足这些新要求,必须设计一种更加复杂的RCC,或其满负载效率必须很高以补偿在其他测试点上的低效率.在无负载情况下,启动电路(通常是一串与直流电压相连的高阻值电阻)中的损耗会减少电源中其他损耗的余量.这些因素都会极大地增加RCC解决方案的成本.
分立PWM控制器件及MOSFET方法可提供较佳的性能.很多控制器都拥有内置“猝发模式”(burst mode),这种模式可通过降低平均开关频率来减少空载功耗.猝发模式一般仅在空载或极轻负载条件下才发生,因此围绕这些控制器而设计的解决方案在猝发模式开始前仍会出现较低的轻负载效率.此外,可能需要用极高满负载效率设计来弥补不佳的轻负载效率,但不可避免地会增加电源的器件成本.
集成电源解决方案
表1:常见回扫转换器实现方案的优缺点.
集成解决方案(控制与功率器件位于同一IC上)可提供最佳的整体效益及成本.低器件数不仅能简化设计与生产,而且还能使用具有成熟能效模式的IC来更加容易地满足CEC等苛刻标准要求.为进一步简化设计,许多IC厂商都提供各种免费工具.例如一些公司提供工具不仅能自动完成大部分设计,而且还能提供关键的变压器构造细节,如磁芯类型、材料、尺寸、气隙宽度、线径、线型、绕组次序及骨架起止引脚等.构造细节可用来在实验室制造原型变压器,或提供给磁芯供应商用于加工.
在获得解决方案后,软件可提供很多的优化设计的方法.图2显示一款根据LinkSwitch器件设计的2.75W适配器(EP 54)的原理图.
由于有较高的集成度,故设计极为简单.通过变压器上的一个辅助绕组来感应输出电压,并通过电阻R4馈入U1的控制引脚.LinkSwitch用来提供高达峰值功率点的恒定电压(CV)调节,以及通过该峰值功率点提供的恒定电流(CC)调节.这使得该解决方案非常适合于电池充电或只需电压的应用,因为CC特征可提供出色的过载与短路保护.从轻负载到空载,该器件可将其开关频率降低30%以减少功耗.
此例中的变压器是采用PI Expert Suite(6.0版)中的工具来产生的,包括可减少所需EMI滤波器的数量与尺寸的屏蔽绕组.在此电路中,一个简单的pai型滤波器(由C1、L1和C2组成)即足以衰减所传导的EMI噪声.采用LinkSwitch设计(EP 54)可轻易地满足CEC效率与无负载标准.
作者:Peter Vaughan
