高温环境下的家用绿色电源设计方案

高温环境下的家用绿色电源设计方案

烹饪过程中不仅会产生热量，同时也会释放大量的水蒸气和冷凝水蒸汽。厨具电子控制装置中的电源必须在高达105℃的环境温度及高湿度条件下发挥稳定性能。除了要满足国际性EMI及安全标准之外，电源还必须有助于促进日益严格的节能目标的实现。

能源消耗的结果远不止于电量的使用。其他必须考虑的因素包括材料和资源的使用、废弃物的产生以及环境污染物的排放。据估计，与产品相关的所有环境影响的80%以上都由产品的设计阶段决定(1)。正是在此背景下，欧盟委员发布了生态设计指令，以确保在欧洲销售的所有用能产品(EuP)在最初设计时都能将环境影响降至最小。值得一提的是，生态设计指令致力于降低产品整个生命周期内的能耗水平。对于家用电器中的辅助电源，可适用EuP Lot 6要求(见表1)。

为说明如何能在经济性上满足EuP Lot 6要求，Power Integrations已针对厨房电器应用设计出了两款具有成本效益的电源，可实现下述目标：低系统BOM成本；为微控制器和数字逻辑提供精确的输出电压；在极端工作条件下具有高可靠性：Ta = 85℃ /105℃，湿度85%；易于设计：缩短上市时间，降低开发成本；满足国际标准：EMI、安全及能效。

第一个电源应用可在0℃到105℃的工作环境下以175至265VAC输入电压提供9V，250mA的隔离式输出。具体应用信息在设计工程报告DER-214(2)中有详细介绍，电路图如下面图1所示。

该设计基于Power Integrations的LinkSwitch-CV系列产品LNK623PG器件设计而成(3)。该器件集成有一个700V MOSFET和制作开关电源所需的所有控制及保护电路。LinkSwitch器件的特有功能之一是，它可以对输出电压调节提供初级侧控制。确保5%电压控制的反馈功能由变压器内的偏置绕组(引脚4-5)提供。

初级侧控制技术可以省去反馈及控制环路补偿电路，因此能大幅降低BOM成本和提高整体可靠性。在图2中，因采用初级控制技术而省去的元件以红色突出显示。

图1所示的电路采用了反激式拓扑结构。来自AC市电经整流的DC电压，由U1中的高压MOSFET通过变压器T1的初级侧进行开关。在每次OFF转换时，T1中的崩溃磁场将能源转移到次级(引脚8-10)，经整流会产生稳定的DC输出电压。针对FB引脚中出现的电压变化，U1内的ON/OFF控制电路可提供调节功能。FB引脚的电压与偏置绕组(引脚4-5)上的电压成正比，同理，也与主输出绕组(引脚8-10)上的电压成正比。

当FB电压持续低于指定电压水平VFBTH(典型值为1.84 V)时，U1将连续开关，可将最大能量转移到输出。这样会造成输出电压升高，因此FB引脚电压也随之升高。当FB电压超过VFBTH时，后续开关周期将被禁止，直至电压下降。通过调节使能开关周期与禁止开关周期的比例(如图3所示)，U1可维持±5%的电压调节率。在轻载条件下，还会降低MOSFET电流限流点以减小变压器磁通密度，从而防止音频噪声的产生。

ON/OFF控制技术在满足严格的能效规范方面具有显著优势，例如EuP Lot 6要求。上面提到的9V电源在满载时通常可实现70%的效率，并且在整个宽负载范围内均可维持这一效率水平。PWM电源正好与此相反，其效率往往随负载的增大而减小。对于待机负载(Io=25mA)，输入功率仅为115mW，230VAC，可轻松满足严格的EuP Lot 6要求。如果分别添加一个二极管、电容和电阻，从变压器偏置绕组为U1提供内部功率，那么待机功耗甚至会更低。

厨房电器应用的一项重要考虑因素就是安全及可靠性。在高温和潮湿的环境下，随着时间的推移，元件表面会积累起厚厚的污染物。这容易导致漏电，甚至在高压导线之间产生电弧。Power Integrations同时设计出了DIP和SO-8塑料LinkSwitch封装选项，扩展了漏极引脚和所有其他引脚之间的爬电距离，可避免漏电问题的产生(见图4)。

Power Integrations推出的第二个电源应用实例说明了如何另外使用极少的元件来设计出双路输出电源。有关该应用的具体信息，请参阅设计工程报告DER-213(4)。电路图如下面图5所示。

尽管该电路所用元件较少，但它仍可满足所有现行及提议中的能效标准。反馈控制利用与单路输出电压电路同样的初级侧调节技术。从12V和5V输出吸收的电流都会对变压器中的磁通量产生影响，从而影响偏置绕组上出现的电压。这可使U1很容易地在两个输出电路上维持±5%的输出电压容差。

上述两个应用电路均经过精心设计，同时集成了迟滞热关断、自动重启动输出电路保护、EMI滤波以及其他安全功能。详细信息可参见相关的设计范例报告(DER-214和DER-213)。这两个电源应用的推出证明了，设计工程师完全可以利用极少的元件设计出既适合厨房电器应用、又可轻松满足现行及提议中的能效标准的电源。

参考文献

1. European Commission Eco-design Directive (2005/32/EC) http://ec.europa.eu/energy/efficiency/ecodesign/eco_design_en.htm

and Commission Regulation (EC) No 1275/2008, Ecodesign requirements for standby and off mode electric power consumption of electrical and electronic household and office equipment.

2. Design Example Report DER-214, 2.25 W Low Cost Cooktop Controller Using LNK623PG. Power Integrations, Inc.

3. LinkSwitch-CV Design Idea DI-201, 6 W, High Efficiency, Adapter Power Supply. Power Integrations, Inc.

4. Design Example Report DER-213. 3.8 W 2-Output Supply Using LNK623PG. Power Integrations, Inc.

关于作者

Silvestro Fimiani是Power Integrations(PI)公司电器及工业应用领域的产品营销经理。在2005年加盟PI之前，Silvestro担任International Rectifier高功率产品工程总监。他拥有意大利那不勒斯大学物理学学士学位。