提高空調(diào)能效水平的新型電源設(shè)計(jì)

隨著近期世界石油價(jià)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(guó)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(huì)在夏季大量使用空調(diào)。在美國(guó)，這種情況早已司空見慣，而在日本、歐洲以及印度和中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家，空調(diào)的使用也越來越普及。事實(shí)上，在中國(guó)，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(tái)增至每百戶31臺(tái)。

　　從全世界的范圍來看，空調(diào)對(duì)能源消耗總量的影響是非常巨大的，因?yàn)槊磕甓紩?huì)在原來的基數(shù)上新增3500萬臺(tái)空調(diào)。在此情形下，許多國(guó)家紛紛出臺(tái)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(dòng)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(dòng)時(shí)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(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(qū)動(dòng)，12V輸出用于驅(qū)動(dòng)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(huì)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(shì)，與此同時(shí)，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(shì)。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(gè)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(gè)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(dòng)重啟動(dòng)、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(dòng)。

　　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(gè)開關(guān)周期開始時(shí)都會(huì)導(dǎo)通功率MOSFET，變壓器初級(jí)側(cè)的電流開始增大。當(dāng)電流達(dá)到限流點(diǎn)時(shí)，MOSFET才會(huì)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(jí)電感及峰值初級(jí)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(gè)時(shí)鐘周期上升沿對(duì)EN/UV引腳進(jìn)行取樣，來決定是否執(zhí)行一個(gè)開關(guān)周期，并根據(jù)多個(gè)周期的取樣序列確定適當(dāng)?shù)牧飨?。重?fù)載時(shí)，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器將流限設(shè)置到最高值。對(duì)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(shí)，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(shí)，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器會(huì)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(shí)，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(jí)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(gè)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(duì)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(shí)，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(gè)小型散熱片。[!--empirenews.page--]設(shè)計(jì)中有兩個(gè)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(dòng)功能，該功能又可以通過次級(jí)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(huì)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(dòng)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(duì)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(shí)的短路輸出條件，并在故障消除后自動(dòng)重啟動(dòng)。

雖然本設(shè)計(jì)屬于非隔離式設(shè)計(jì)，但通過用一個(gè)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(duì)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(shí)，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(gè)小型散熱片。

　　設(shè)計(jì)中有兩個(gè)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(dòng)功能，該功能又可以通過次級(jí)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(huì)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(dòng)空調(diào)中的電子控制元件和電機(jī)。