電源就像保險單－你知道自己需要它，但你寧可永遠都不必用到它。同樣，你的下一代電子電子產(chǎn)品也離不開(kāi)電源。從另一方面看，電源又和保險單不一樣，因為在過(guò)去的20多年里，保險單一直在不斷漲價(jià)，而電源則越來(lái)越小，功率越來(lái)越高，成本越來(lái)越低�？s小電源體積以給系統其它功能留出更多空間的趨勢將繼續下去。而且，電源還必須符合已有的標準格式，以避免系統重新設計。
對于AC/DC" target="_blank">AC/DC電源來(lái)說(shuō)，推動(dòng)這一趨勢的并不是技術(shù)上的新突破，而是良好的設計，以及創(chuàng )新性地結合各種工藝和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)開(kāi)發(fā)出性能高于平均水平的電源。本文將要討論的是常見(jiàn)的100W－200W的AC/DC電源設計，其中著(zhù)重強調的是結合各種方案來(lái)設計外形最小成本最低的電源，并實(shí)現最高的效率和應用靈活性。
我們首先談一談設計的幾個(gè)主要目標。首先，電源必須越小越好，以給系統的其它功能留出更多的空間。第二，電源的功效要越高越好。在實(shí)際中，電源并不是最耗能的，而是微處理器，但是電源仍然需要進(jìn)一步提高功效，因為功效越高，所需的散熱片就越小，這樣才能進(jìn)一步節省系統空間。對于100W-200W的電源來(lái)說(shuō)，要實(shí)現90％的功效是不太現實(shí)的。高功率的電源功效每提高1％，熱量就能降低10％，電源所需的冷卻程度也會(huì )產(chǎn)生極大的不同。第三，成本當然永遠是最重要的因素，無(wú)論是原材料成本還是制造復雜性方面。簡(jiǎn)單設計是一個(gè)重要因素。最后，還要考慮功能�？刂坪蛨缶盘�、和同類(lèi)設備的均流以及在各種交流輸入情況下保持穩定性能等都是非常重要的。
我們來(lái)看看下面圖1中展示的AC/DC電源，這里的幾個(gè)方法可以在保證性能和功能的前提下將大小和成本最小化。
圖1：縮小AC/DC電源外形的步驟
輸入濾波器。使用一個(gè)兩階式濾波器可以使電源外形最小化，并實(shí)現高共模和微分降噪。如果垂直堆疊組件，則可以節省板空間，同時(shí)改進(jìn)冷卻。
功率因數校正電路（PFC）。由于碳化硅二極管的價(jià)格在過(guò)去兩年降了下來(lái)，在電源中使用這一產(chǎn)品已經(jīng)成為了可能。反向電流特性使碳化硅二極管不需要緩沖電路，因此可以節省5－6個(gè)組件。另外，碳化硅二極管一般還可以將功效提高1％。如果使用階梯感應器，可以在高輸入線(xiàn)時(shí)提供高感應，在低輸入線(xiàn)時(shí)支持最可能大的流量密度。在輸入范圍中使用連續感應模式（CCM）操作，可以保持最小的峰值轉換電流和輸入濾波器要求。
主變流器。在這里，使用諧振拓撲可以基本上消除開(kāi)關(guān)損耗。這樣不僅改進(jìn)了電源效率，而且使電源可以使用更小的散熱片。實(shí)際使用中，有時(shí)可以在功率晶體管中以陶瓷基片代替金屬基片。陶瓷基片可以減少噪音，并因此簡(jiǎn)化濾波過(guò)程。這是因為散熱片沒(méi)有和開(kāi)關(guān)MOSFETS的損耗耦合的電容。另外，使用陶瓷散熱片時(shí)的爬電距離比金屬散熱片所需的距離要短，這就進(jìn)一步節省了板空間。
輸出整流器。此處使用開(kāi)關(guān)式MOSFETS而不是輸出整流器二極管來(lái)進(jìn)行同步整流。這樣可以極大地降低功耗，從而提高功效。比如，一個(gè)正向電壓0.5V的二極管在20A時(shí)的功耗為10W。而如果使用一個(gè)開(kāi)啟時(shí)電阻為14mOhm 的MOSFET，功耗最大只有5.6W，與二極管的功耗相比小了44％。這里也可以用陶瓷陶瓷基片來(lái)代替傳統的散熱片。
控制電路。半導體制造商最近以來(lái)一直在開(kāi)發(fā)用于電源的集成化控制電路。這樣可以減少組件數量、降低制造成本并節省板空間，哪怕集成電路可能本身比離散組件更為昂貴。比如IR1150－這是一種PFC芯片，作為單循環(huán)控制（OCC）設備使用，可以在保持電源系統性能的同時(shí)大大減少元組件數量。同樣，可以通過(guò)特殊應用芯片來(lái)進(jìn)行主轉換器電壓控制、過(guò)電流保護、過(guò)電壓保護和過(guò)溫度保護，并控制輸出整流器轉換。另外，還可以通過(guò)同步單啟動(dòng)分源、借助邏輯控制來(lái)關(guān)閉電源的抑制電路、“電源狀態(tài)良好”信號、備用轉換器控制功能等控制渠道來(lái)提高應用的靈活性。當交流電源存在時(shí)，備用轉換器可以單獨提供5V的輸出。
XP Power的EMA212電源代表著(zhù)目前最好的AC/DC電源（如圖2）。它的主要指標如下：
－采用上文提到的技術(shù)，輸出212.5W，占位面積3 x 5英寸，最高高度僅1.34英寸；
－以行業(yè)標準的占位面積達到了10.55 W/立方英寸的電能密度；
－有一個(gè)12V或48V的主輸出，另有12V 1A用于驅動(dòng)風(fēng)扇，以及一個(gè)5V的待機輸出，功率200W；
－強迫通風(fēng)冷卻只需12CFM，使用標準的40 x 40mm風(fēng)扇就能很容易實(shí)現；強迫通風(fēng)冷卻是目前很多通信系統的通用指標，而12CFM是很容易實(shí)現的，不需要復雜的機械裝置。
－全負載時(shí)功效可達91％。
圖2：擁有最小功耗的電源的范例
半導體設備性能和功能的改進(jìn)，仍將繼續成為推動(dòng)AC/DC電源設計改進(jìn)的主要動(dòng)力。更好的磁性組件和無(wú)源組件也將起著(zhù)重要作用，但這方面的發(fā)展最多只能是改進(jìn)，而不能達到徹底的變革。要設計出最好的電源，就必須使用最新的組件，并以創(chuàng )新型方法加以結合，來(lái)實(shí)現更具挑戰性的設計目標。
關(guān)于作者：
Gary Bocock是XP Power公司技術(shù)總監，優(yōu)秀電子工程師（HNC），電氣工程師協(xié)會(huì )（MIEE）成員，在電源設計、開(kāi)發(fā)、應用和管理上有20年的經(jīng)驗。他在XP Power已經(jīng)工作了10年，擔任過(guò)各種工程和管理職位，直至現在的技術(shù)總監。 |
