【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要敏銳地知道他們?nèi)绾位趯?shí)際的系統(tǒng)要求來(lái)定義、選擇并設(shè)計(jì)所需的離線式電源，在最大程度上節(jié)省成本。數(shù)控電路在峰值功率控制方面具有快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是安全和可靠方案。本文就為大家分享交直流轉(zhuǎn)換電源到底是針對(duì)峰值功率還是平均功率設(shè)計(jì)好？
每一代新的電子設(shè)備都力求降低平均功耗，理由很簡(jiǎn)單：不管是有線還是無(wú)線，我們總是全力降低功耗。降低平均功耗一直以來(lái)都是追求的目標(biāo)，尤其是目前，各種全球性監(jiān)管機(jī)構(gòu)施加壓力，要求電子設(shè)備都具有高能效。但是一些產(chǎn)品使用電機(jī)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和其他大電容、大電感的元件會(huì)產(chǎn)生很高的峰值負(fù)載電流。因此，即使是平均功耗能夠降低，峰值功率水平還是很高。
包括游戲機(jī)和打印機(jī)在內(nèi)的各種消費(fèi)性電子產(chǎn)品通常采用現(xiàn)成的電源以滿足其最大功率要求。但是，這些現(xiàn)成的電源必須提供應(yīng)用所需的最大功率。由于這些電子產(chǎn)品的負(fù)荷曲線通常包括較低的平均功耗和偶爾產(chǎn)生的較大的瞬時(shí)峰值，因此在這些應(yīng)用中采用這類(lèi)電源往往是大材小用。對(duì)于選擇電源的工程師出現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)題：電源的大小是否應(yīng)該設(shè)計(jì)到能夠連續(xù)輸出最大瞬時(shí)所需的功率，還是設(shè)計(jì)到平均所需的功率，然后通過(guò)有源或無(wú)源的方案來(lái)應(yīng)對(duì)峰值輸出?在離線式交直流轉(zhuǎn)換電源電路中，外部組件的尺寸主導(dǎo)了這場(chǎng)辯論，潛在的解決方案將決定電源的成本和尺寸，從而進(jìn)一步對(duì)整個(gè)最終產(chǎn)品產(chǎn)生重要影響。
電源設(shè)計(jì)者努力在離線式電源的成本和性能之間尋求平衡，也需要考慮電源實(shí)際所使用的環(huán)境。對(duì)于需要高峰值電流的應(yīng)用而言，這種考慮更加重要。短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)高出平均電流 50-60% 的電流峰值這一情況并不少見(jiàn)。針對(duì)需要 60W 瞬時(shí)功率而平均為40W輸出的應(yīng)用，60W 的大型電源具有卓越的性能，因?yàn)槟苓B續(xù)應(yīng)對(duì)峰值功率。但是，60W 的設(shè)計(jì)在電氣和散熱方面要滿足 60W輸出功率的尺寸要求。
從電氣角度來(lái)看，為較低的平均連續(xù)電流而設(shè)計(jì)的電源能夠節(jié)約成本和空間，這是因?yàn)榇判栽凸β势骷伎梢杂皿w積小成本低的元件。
從散熱角度來(lái)看，為連續(xù)輸出60W設(shè)計(jì)所需的功率器件要滿足更高的連續(xù)功率損耗要求，因此散熱器的尺寸和成本更高。圖 1 顯示了兩個(gè)不同散熱器的并排圖像，其中一個(gè)是主功率器件在 60W 連續(xù)供電的情況下所需的散熱器，較小的一個(gè)是 40W 連續(xù)供電下使用的散熱器。尺寸(和成本)差異非常明顯。
次級(jí)側(cè)整流器件在電氣和散熱方面與初級(jí)側(cè)功率器件的情況相同。與初級(jí)側(cè)功率器件相似，較高的功率設(shè)計(jì)會(huì)給次級(jí)側(cè)整流器件增加元件和成本。
圖 1. 主功率器件在 60W 連續(xù)供電下的散熱器(左)與 40W 連續(xù)供電下使用的較小散熱器(右)之間的尺寸對(duì)比。
很明顯，設(shè)計(jì)到最大峰值功率的電源能夠運(yùn)行良好，但成本較高。一種替代方案是基于較低平均功率的設(shè)計(jì)采用無(wú)源蓄能，但是需要大量輸出電容以確保滿足峰值功率的要求，而且在占空比較高的重復(fù)脈沖下這種方案不能良好運(yùn)行。理想的選擇是設(shè)計(jì)出能夠輕松供給平均功率而又能滿足峰值功率要求的電源，在電氣和散熱方面不做超裕量設(shè)計(jì)。
如果把電源按照平均功率設(shè)計(jì)但允許超出額定最大電流的 50% 的峰值電流通過(guò)，則電源會(huì)比較小。適合較低平均功率的磁性元件是可以應(yīng)對(duì)峰值功率的，雖然在峰值期間的效率稍微低些，但是不會(huì)顯著影響總體效率，反而較小尺寸的變壓器會(huì)減小整體尺寸和降低成本。同樣地，主功率器件也可針對(duì)較低的平均電流來(lái)設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化整體設(shè)計(jì)的尺寸和成本。
提供峰值功率有一種簡(jiǎn)單明了的方法，即增加電源控制器上的輸出電流限制點(diǎn)達(dá)到超出峰值功率所需的水平。電源能在需要的情況下提供額外的電流。但是，這種方法同樣需要散熱方面的考量，因?yàn)樵诠收系那闆r下，比如連續(xù)超電流狀態(tài)下發(fā)生持續(xù)輸出的故障，則電源可能會(huì)過(guò)熱并產(chǎn)生安全問(wèn)題。這樣散熱管理問(wèn)題與連續(xù)峰值功率的設(shè)計(jì)會(huì)一樣甚至可能更棘手，所以需要找出一個(gè)不同的方法，既能夠提供峰值電流，也不影響總體電源的安全性和可靠性。
如果電源能在有限的時(shí)間范圍內(nèi)提供峰值電流，那么電氣和散熱設(shè)計(jì)可以接近針對(duì)平均功率而設(shè)計(jì)的方案，在提供額外電流的情況下將成本和尺寸保持到最低。數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的時(shí)序解決方案能輕松地實(shí)現(xiàn)峰值功率的應(yīng)用。一種雙重電流限制的方法(由主限流點(diǎn)設(shè)定平均電流，次限流點(diǎn)設(shè)定峰值功率模式下的更高電流)允許通過(guò)瞬時(shí)峰值電流，同時(shí)將熱損失降到最低，從而減少輸出電容的需求，并確保外部元件達(dá)到基于平均功率設(shè)計(jì)所需的尺寸。
等效模擬計(jì)時(shí)電路可提供類(lèi)似的計(jì)時(shí)功能，但是靈活性不高，因?yàn)槟M計(jì)時(shí)方法的時(shí)間常數(shù)(RC 時(shí)間常數(shù))限制了重復(fù)脈沖的頻率和占空比。內(nèi)部計(jì)時(shí)電路沒(méi)有足夠的時(shí)間在重復(fù)脈沖之間放電，有可能導(dǎo)致計(jì)時(shí)故障。
iW1770是具有峰值功率控制的數(shù)字電源控制器。iW1770 采用數(shù)字控制回路，其電流限制電路能夠在 40ms 時(shí)間內(nèi)，提供高達(dá)60%的額外輸出電流，然后再把輸出電流降至平均功率的安全水平。用戶可以配置最大電流，不會(huì)影響正常的過(guò)電流故障保護(hù)。在完全短路或輸出過(guò)電流發(fā)生軟短路故障時(shí)，電流輸出將會(huì)被切斷并進(jìn)入智能低功耗模式，或稱(chēng)為智能間斷式輸出技術(shù)(稱(chēng)為SmartDefender?)，處理電纜和連接器中的軟短路現(xiàn)象，防止在故障情況下出現(xiàn)過(guò)熱和損壞。iW1770大大簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以采用遠(yuǎn)低于針對(duì)峰值功率連續(xù)工作而設(shè)計(jì)的散熱器，還能夠使用符合平均輸出功率而非峰值功率的元器件，從而節(jié)省成本和空間。
圖 2 顯示的是，iW1770 在 12V、2A 的平均輸出電流應(yīng)用中在所允許的 40ms 時(shí)間內(nèi)從最大的平均電流 2A 轉(zhuǎn)變至超過(guò)平均電流 60% 的峰值電流時(shí)的波形，輸出情況穩(wěn)定，并提供負(fù)荷在峰值功率時(shí)間內(nèi)所需的電流，直到峰值負(fù)荷減弱并回到正常的平均電流。
圖 2. iW1770 在 12V、2A 平均輸出電流應(yīng)用中的輸出情況
