您可以添加到网摘 让更多人关注此文章：
随着人们对环境保护的日益关注，许多流行的消费类产品的待机功率和效率要求也越来越严格。这一趋势使得开放式(open frame)电源以及大多数充电器和适配器逐步从线性电源转变为开关电源(SMPS)。开关控制器集成度的提高使SMPS变得非常简单，加上磁芯材料的成本也不断下降，这使得SMPS的设计更简单，制造起来也更经济。但是设计时仍须小心谨慎，以免发生故障，例如电机驱动在堵塞和停转时会使电机吸收过量的电流。在任何静态负载中，故障都有可能发生，导致过载和短路，因此电源设计应当满足一个最低要求，以便能承受任何过载条件，而不会发生故障或性能下降、过热或引起火灾。设计良好的电源能控制过载功率，这不仅有助于提高电源自身的可靠性，还可以减少对负载本身造成的损害。
SMPS是一种复杂的主动电子系统，其每个元件都必须严格满足规定的公差要求。电源必须能在这些公差范围的任何组合情况下工作且符合规格要求。这些公差还可能在故障状况下产生重大影响，因为不利的公差组合可以产生很大的过载电流。对电源设计工程师而言，管理这些公差组合并不轻松。不过，SPMS控制器设计所取得的最新进展，不仅使简化了此类工作化，还降低了元件成本。
这个转换器电路采用Power Integrations(以下简称PI)公司的TOPSwitch-GX控制器IC。TOPSwitch-GX集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器(用户可选)及限流电路。当处于使能状态时，振荡器在每个时钟周期的开始阶段导通功率MOSFET。当电流达到限流值或达到由反馈信号设置的占空比(PWM控制)时，MOSFET关断。PWM控制器关断MOSFET后，变压器绕组间的电压开始反向，输出二极管被正向偏置，电流开始流入次级绕组，以补充输出电容中的电荷并将给负载供电。
提供给负载的功率与开关频率、变压器初级电感的值以及峰值初级电流的平方成正比。变压器必须经过精心设计以便在频率和电流的最低点，变压器具有足够大的电感值来提供指定功率。然而，由于变压器的参数都具有公差，其电感值可能与指定电感值存在+/-12%的差异，所以变压器在公差范围的最大限值会比在最低限值多提供24%的功率。由于提供的功率与峰值电流的平方成正比，所以峰值电流限值变化的影响更大。试验可以证明：在这三个参数变化12%的情况下，设计成可提供最少10W功率的SMPS在过载条件下可以提供高达29.2W的功率。
在本例，输出二极管、初级箝位元件和变压器的尺寸都要求很大，以容忍发生故障时的3倍过载，而这会导致整体设计的尺寸、重量和成本的增加。不过，PI公司的最新技术可以从根本上改善这一状况。
PI公司在其最新的SMPS控制器设计中引入了额外的电路，并在最终测试中采用参数调整技术，以控制开关频率与电流限值平方的乘积的最大值和最小值。这个新参数在数据手册中被称为功率系数(I2f)。下面将详细说明功率系数的作用。
图1为未引入I2f控制的PI器件的开关频率和电流限值的变化示意图。
 |
| 图1：基于IC指定允许公差的开关频率(fSW)和MOSFET峰值电流限值(IP)的乘积变化范围。 |
在图1中，左下角交点表示IP_MIN的平方与fSW_MIN的乘积，此时代表转换器必须提供满载功率的最坏状况。右上角交点表示IP_MAX的平方与fSW_MAX的乘积，此时代表要求电源提供最大过载功率的最坏状况。二者乘积的最小值和最大值相差49%。图2b与图1类似，但引入了I2f参数控制。
 |
| 图2：(a) 典型的具有非连续导通模式的反激式转换器电路图；(b) 基于I2f参数指定允许公差的fSW和IP的乘积变化范围。 |
TinySwitch-III的I2f参数的最小值和最大值被指定用额定(目标)fSW值与IP值的乘积的百分比来表示。
首先，最明显的差异左下角交点和右上角交点被移除。这意味着变压器初级绕组的电感值可以减少9%，而且负载要求电源提供的最大过载功率将比使用带分离参数控制的IC时降低9%。这样将因为无需使用尺寸过大的功率元件而节省成本，同时仍可承受最坏的过载状况。
进一步观察发现，调节IC使其满足I2f参数要求还可以缩小整个IP公差范围。此外，由于IP是一个平方因子，所以减小其变化范围可以使电源的输出功率呈更严格的正态分布。
参考文献2提供了采用带I2f控制的控制器IC设计的电池充电器的测试数据。构建这些充电器的元件是专门针对参数公差限值而被选用的。这些充电器在宽范围的电压和负载条件下经过了测试，在所有情况下，VI包络线都在设计规格要求之内。
总之，引入功率系数(I2f)可以为电源设计和制造带来四个好处：1. 减小在最坏状况下提供最小满载功率所需的初级电感值。2. 降低负载在最坏状况要求电源提供的最大过载功率。3. 与仅将单独参数控制在严格的公差范围之内相比，控制两个参数的乘积更有效。4. 可以对输出VI曲线进行更严格的控制，以确保电源完全满足量产要求。
如今，PI工作在制造TopSwitch-GX的过程中对I2f进行了内部控制。TinySwitch-II/III、PeakSwitch和LinkSwitch产品的数据手册中都指定了I2f功率系数。
参考资料
1. TOPSwitch-GX data sheet, revision O, Power Integrations, November 2005, pages 33 and 36.
2. I2f: Making Power Supplies Easier to Design and Manufacture, Donald Ashley, John Jovalusky. Power Integrations, USA
3. TinySwitch-III data sheet, revision G, Power Integrations, June 2006, page 16.
|
当前位置：
首页 >> 行业应用 >> 电源系列 >> 相关文章
相关文章
发表评论
