提高空调能效水平的新型电源设计 - 全文

　　随着近期世界石油价格的飙升，能源消耗成本开始成为倍受关注的问题。平均而言，建筑物占到二氧化碳排放总量的40%，根据能源之星的研究数据，住宅中50%的能源都消耗于供暖和冷却系统。

　　在许多国家，能源需求高峰一般出现在夏季，而不是冬季，这是由于人们会在夏季大量使用空调。在美国，这种情况早已司空见惯，而在日本、欧洲以及印度和中国等发展中国家，空调的使用也越来越普及。事实上，在中国，空调的使用量在过去5年中已经增加了4倍，从每百户8台增至每百户31台。

　　从全世界的范围来看，空调对能源消耗总量的影响是非常巨大的，因为每年都会在原来的基数上新增3500万台空调。在此情形下，许多国家纷纷出台了新的法规，旨在提高空调和热泵的效率。

　　只有采用先进的电子技术，才能满足日益严格的新空调能效标准，比如使用变速电机驱动器为标准交流异步电机或无刷直流压缩机供电。不过，这些先进的系统往往需要使用复杂的多路输出电源：既能以高效率进行工作，又能供应风扇电机启动时所需的峰值电流。下面将要介绍的电源设计则完全能满足这些要求，而且它的制造成本不高，进行大量生产时可以确保良好的性能一致性。该电源可以提供两个电气隔离的12V输出，是半桥IGBT的理想驱动，12V输出用于驱动压缩机蒸发风扇，5V输出则用于电子控制元件。连续负载为17.7W，并可由90V~265V通用电源输入电压提供29.7W的峰值输出。

　　该电源使用离线式开关IC TinySwitch-PK设计而成，该器件由Power Integrations公司(PI)生产，非常适合空调风扇电机等要求提供峰值功率的应用。

　　TinySwitch-PK所具有的峰值处理特性使电源变压器可以根据连续功率负载而不是峰值功率进行设计，这样可以进一步减小变压器磁芯的尺寸。变压器的尺寸以及制造所需的铜铁数量现在已成为越来越重要的考虑因素。

　　与小型线性电源通常需使用75gm铜相比，开关电源变压器所需的铜要少得多，如果使用TinySwitch-PK进行设计的话，铜使用量还会得到进一步降低。此外，由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET，设计出的电源要比使用TinySwitch-III系列器件设计出的电源更小些。再加上可以省去其它元件，最终的电源将比线性电源更具成本优势，与此同时，在能源效率和空载功耗方面仍具备开关电源的所有优势。该器件高度集成，需要极少的外部元件，因此可以在单面印刷电路板上实现电源设计。

　　TinySwitch-PK采用了经PI优化的开/关控制方法。开/关控制与传统的PWM控制器所采用的方法截然不同，它在整个功率负载范围内均具有非常平坦的效率特性。

　　TinySwitch-PK集成了一个700V的功率MOSFET、振荡器、开/关控制器、电流限流(用户可选)及热关断电路。其它特性包括集成的自动重启动、输入欠压和输出过压保护、迟滞热关断以及降低EMI的频率抖动。

　　图1为TinySwitch-PK反激式转换器应用的设计范例。在使能状态下，振荡器在每个开关周期开始时都会导通功率MOSFET，变压器初级侧的电流开始增大。当电流达到限流点时，MOSFET才会关断。由于TinySwitch-PK设计的最高流限值与频率是定值，它提供给负载的功率与变压器初级电感及峰值初级电流的平方成正比。

　　TinySwitch-PK的内部振荡器始终工作。它在每个时钟周期上升沿对EN/UV引脚进行取样，来决定是否执行一个开关周期，并根据多个周期的取样序列确定适当的流限。重负载时，流限状态调节器将流限设置到最高值。对于TinySwitch-PK而言，当状态调节器将流限设置到其最高值时，振荡器频率也将提高一倍，从而提供独特的峰值功率模式。负载减轻时，流限状态调节器会相应将流限值的设置降低。电流限流点达到较低水平时，振荡器频率恢复到标准值。

　　因此，通过调节振荡器频率和电流限流点，TinySwitch-PK最高能够产生的功率是给定变压器初级绕组圈数和骨架尺寸的设计功率水平的280%(使用同样的集成MOSFET)。再加上其出色的瞬态响应，TinySwitch-PK所具有的功率提升能力可大大降低电源尺寸、重量及设计成本。虽然本设计属于非隔离式设计，但通过用一个光耦合器来代替晶体管Q1和Q2，可以隔离反馈路径。

　　二极管D1、D2、D3和D4以及电容C1和C2可以对AC输入进行整流和平滑。电容C1、C2和共模电感L1提供差模及共模EMI滤波。

　　TinySwitch-PK(U1)中的控制器通过Q1接收来自输出端的反馈，并根据该反馈使能或禁止其集成MOSFET的开关，以维持输出电压的稳定。5V输出端的电流流入并联稳压器(U2)，从而可以控制流经Q1和Q2中的电流。与其成比例的电流然后从EN/UV脚被拉出。一旦电流超过EN/UV引脚的关断阈值电流(115μA)，将跳过开关周期。当EN/UV引脚流出的电流低于关断阈值电流时，开关周期将重新使能。在连续输出功率工作条件下，TinySwitch-PK的工作频率为132kHz。其独特的峰值模式特性可以在峰值负载条件下将电流限流点提升30%，并使开关频率增大一倍，达到264 kHz。

　　为了支持高环境温度工作(85℃)，U1采用了一个小型散热片。

　　设计中有两个元件可用来提升效率。元件D6和VR1与电容C3一起组成箝位电路，这有助于恢复部分漏感能量。为了降低空载输入功率和提高轻载效率，R3从变压器的辅助偏置绕组为U1反馈电流。这样可以获得非常宽的高效率范围。

　　TinySwitch-PK开关集成了用以降低EMI的频率抖动功能，该功能又可以通过次级侧缓冲器(R7、C11、R8和C15)得到进一步增强。虽然在峰值负载条件下会发生倍频，但只需为132kHz频率设计EMI抑制电路便可实现正常工作。

　　这款电源在通用AC输入电压范围内均具有80%的效率，可以用来驱动空调中的电子控制元件和电机。

　　图2为空调电源的完整电路图。反激式设计具有极高的能效，能够满足CEC 2008/能源之星对带载模式效率的要求(效率可达80%，要求为74.9%)，并且在265VAC条件下的低负载功耗小于160mW。该电源在高温环境(TAMB=85℃)下可实现所有性能，并且集成有精确的迟滞热关断保护功能。本设计包含有效的EMI保护功能，符合CISPR-22/EN55022B传导EMI限值，且EMI裕量>10dBmV。该电源能够承受不定时的短路输出条件，并在故障消除后自动重启动。

虽然本设计属于非隔离式设计，但通过用一个光耦合器来代替晶体管Q1和Q2，可以隔离反馈路径。

　　二极管D1、D2、D3和D4以及电容C1和C2可以对AC输入进行整流和平滑。电容C1、C2和共模电感L1提供差模及共模EMI滤波。

　　TinySwitch-PK(U1)中的控制器通过Q1接收来自输出端的反馈，并根据该反馈使能或禁止其集成MOSFET的开关，以维持输出电压的稳定。5V输出端的电流流入并联稳压器(U2)，从而可以控制流经Q1和Q2中的电流。与其成比例的电流然后从EN/UV脚被拉出。一旦电流超过EN/UV引脚的关断阈值电流(115μA)，将跳过开关周期。当EN/UV引脚流出的电流低于关断阈值电流时，开关周期将重新使能。在连续输出功率工作条件下，TinySwitch-PK的工作频率为132kHz。其独特的峰值模式特性可以在峰值负载条件下将电流限流点提升30%，并使开关频率增大一倍，达到264 kHz。

　　为了支持高环境温度工作(85℃)，U1采用了一个小型散热片。

　　设计中有两个元件可用来提升效率。元件D6和VR1与电容C3一起组成箝位电路，这有助于恢复部分漏感能量。为了降低空载输入功率和提高轻载效率，R3从变压器的辅助偏置绕组为U1反馈电流。这样可以获得非常宽的高效率范围。

　　TinySwitch-PK开关集成了用以降低EMI的频率抖动功能，该功能又可以通过次级侧缓冲器(R7、C11、R8和C15)得到进一步增强。虽然在峰值负载条件下会发生倍频，但只需为132kHz频率设计EMI抑制电路便可实现正常工作。

　　这款电源在通用AC输入电压范围内均具有80%的效率，可以用来驱动空调中的电子控制元件和电机。