提高空調能效水平的新型電源設計

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

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

　　從全世界的范圍來(lái)看，空調對能源消耗總量的影響是非常巨大的，因為每年都會(huì )在原來(lái)的基數上新增3500萬(wàn)臺空調。在此情形下，許多國家紛紛出臺了新的法規，旨在提高空調和熱泵的效率。

　　只有采用先進(jìn)的電子技術(shù)，才能滿(mǎn)足日益嚴格的新空調能效標準，比如使用變速電機驅動(dòng)器為標準交流異步電機或無(wú)刷直流壓縮機供電。不過(guò)，這些先進(jìn)的系統往往需要使用復雜的多路輸出電源：既能以高效率進(jìn)行工作，又能供應風(fēng)扇電機啟動(dòng)時(shí)所需的峰值電流。下面將要介紹的電源設計則完全能滿(mǎn)足這些要求，而且它的制造成本不高，進(jìn)行大量生產(chǎn)時(shí)可以確保良好的性能一致性。該電源可以提供兩個(gè)電氣隔離的12V輸出，是半橋IGBT的理想驅動(dòng)，12V輸出用于驅動(dòng)壓縮機蒸發(fā)風(fēng)扇，5V輸出則用于電子控制元件。連續負載為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(xiàn)式開(kāi)關(guān)IC TinySwitch-PK設計而成，該器件由Power Integrations公司(PI)生產(chǎn)，非常適合空調風(fēng)扇電機等要求提供峰值功率的應用。

　　TinySwitch-PK所具有的峰值處理特性使電源變壓器可以根據連續功率負載而不是峰值功率進(jìn)行設計，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量現在已成為越來(lái)越重要的考慮因素。

　　與小型線(xiàn)性電源通常需使用75gm銅相比，開(kāi)關(guān)電源變壓器所需的銅要少得多，如果使用TinySwitch-PK進(jìn)行設計的話(huà)，銅使用量還會(huì )得到進(jìn)一步降低。此外，由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET，設計出的電源要比使用TinySwitch-III系列器件設計出的電源更小些。再加上可以省去其它元件，最終的電源將比線(xiàn)性電源更具成本優(yōu)勢，與此同時(shí)，在能源效率和空載功耗方面仍具備開(kāi)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)現電源設計。

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

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

　　圖1為T(mén)inySwitch-PK反激式轉換器應用的設計范例。在使能狀態(tài)下，振蕩器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)都會(huì )導通功率MOSFET，變壓器初級側的電流開(kāi)始增大。當電流達到限流點(diǎn)時(shí)，MOSFET才會(huì )關(guān)斷。由于TinySwitch-PK設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的內部振蕩器始終工作。它在每個(gè)時(shí)鐘周期上升沿對EN/UV引腳進(jìn)行取樣，來(lái)決定是否執行一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，并根據多個(gè)周期的取樣序列確定適當的流限。重負載時(shí)，流限狀態(tài)調節器將流限設置到最高值。對于TinySwitch-PK而言，當狀態(tài)調節器將流限設置到其最高值時(shí)，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(shí)，流限狀態(tài)調節器會(huì )相應將流限值的設置降低。電流限流點(diǎn)達到較低水平時(shí)，振蕩器頻率恢復到標準值。

　　因此，通過(guò)調節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和骨架尺寸的設計功率水平的280%(使用同樣的集成MOSFET)。再加上其出色的瞬態(tài)響應，TinySwitch-PK所具有的功率提升能力可大大降低電源尺寸、重量及設計成本。雖然本設計屬于非隔離式設計，但通過(guò)用一個(gè)光耦合器來(lái)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(guò)Q1接收來(lái)自輸出端的反饋，并根據該反饋使能或禁止其集成MOSFET的開(kāi)關(guān)，以維持輸出電壓的穩定。5V輸出端的電流流入并聯(lián)穩壓器(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(guò)EN/UV引腳的關(guān)斷閾值電流(115μA)，將跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期。當EN/UV引腳流出的電流低于關(guān)斷閾值電流時(shí)，開(kāi)關(guān)周期將重新使能。在連續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(diǎn)提升30%，并使開(kāi)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(gè)小型散熱片。