提高空調(diào)能效水平的新型電源設(shè)計

隨著近期世界石油價格的飆升，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，這是由于人們會在夏季大量使用空調(diào)。在美國，這種情況早已司空見慣，而在日本、歐洲以及印度和中國等發(fā)展中國家，空調(diào)的使用也越來越普及。事實上，在中國，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臺增至每百戶31臺。

　　從全世界的范圍來看，空調(diào)對能源消耗總量的影響是非常巨大的，因為每年都會在原來的基數(shù)上新增3500萬臺空調(diào)。在此情形下，許多國家紛紛出臺了新的法規(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)啟動時所需的峰值電流。下面將要介紹的電源設(shè)計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)時可以確保良好的性能一致性。該電源可以提供兩個電氣隔離的12V輸出，是半橋IGBT的理想驅(qū)動，12V輸出用于驅(qū)動壓縮機(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，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)計的話，銅使用量還會得到進(jìn)一步降低。此外，由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET，設(shè)計出的電源要比使用TinySwitch-III系列器件設(shè)計出的電源更小些。再加上可以省去其它元件，最終的電源將比線性電源更具成本優(yōu)勢，與此同時，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。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現(xiàn)電源設(shè)計。

　　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重啟動、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。

　　圖1為TinySwitch-PK反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的設(shè)計范例。在使能狀態(tài)下，振蕩器在每個開關(guān)周期開始時都會導(dǎo)通功率MOSFET，變壓器初級側(cè)的電流開始增大。當(dāng)電流達(dá)到限流點(diǎn)時，MOSFET才會關(guān)斷。由于TinySwitch-PK設(shè)計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電感及峰值初級電流的平方成正比。

　　TinySwitch-PK的內(nèi)部振蕩器始終工作。它在每個時鐘周期上升沿對EN/UV引腳進(jìn)行取樣，來決定是否執(zhí)行一個開關(guān)周期，并根據(jù)多個周期的取樣序列確定適當(dāng)?shù)牧飨?。重?fù)載時，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器將流限設(shè)置到最高值。對于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，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，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器會相應(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，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繞組圈數(shù)和骨架尺寸的設(shè)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(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)計成本。雖然本設(shè)計屬于非隔離式設(shè)計，但通過用一個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，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采用了一個小型散熱片。