电子产品供电系统三大走势：环保、高效、智能

作者：Mat Dirjish

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 供电系统是所有产品(包括干线供电产品和电池供电产品)必不可少的组成部分，它可以实现和确保所有电路区域正常工作。除了提供工作动力之外，有些供电系统还可以检测甚至在某些情况下校正复杂电路中的异常。 从过去到现在，能源一直都是技术市场关注的重点。随着无数公司积极向“绿色”(也称为环保)方向发展，监管机构期望通过制定能效标准来降低功耗，每个人都希望节能。甚至消费者也在低电费的美好愿景下怦然心动，开始寻找可能节省电费的产品和设备。 并非只有能源OEM专注于降低能耗。整个技术社群有着相同的目标。毕竟，即使你能够设计出功效最高、超级环保且优于所有现行法规章程的电源产品，甚至是一些前人从未想到的电源产品，但是如果这个产品被用在一批设计超烂、功效极低的电路上时，你所有的付出还是会归结为零。 仔细分析基本技术 目前有几个流行的电源类型和三个可用来实现高性能和高功效的可行技巧，包括线性稳压、开关模式和可编程电源，功率因子校正(PFC)、效率以及数字控制。下面我们将快速回顾一些基础知识，然后再继续讨论。 大多数情况下，人们都假定供电是将高电平交流电压转换成相同或较低的直流电压，然后再为特定电路或器件供电。当然，这样的说法并不完全正确，因为有的器件(也被称为供电)是将AC转换为AC，将DC转换为DC。为了便于讨论，我们还是坚持这个假定，即供电(power supply)就是指AC/DC转换器，而将DC/DC转换器等其他器件都称为电源(power source)。 不管是复杂的、机密的还是外来的设计，大多数供电系统的前端都采用最为原始的技术。插墙式交流电进入降压或升压变压器，然后再馈入整流器和滤波电路。 供电可以相当简单，也可以非常复杂，这取决于具体应用对直流电源的需要。对于实验、业余爱好和一些直流器件的供电，或许一个基本的单极性供电(图1)就足够了。 由于经得起时间的考验且器件数量很少，因此基本供电仍是目前许多最为先进器件中的骨干。基本供电仅由一个降压交流变压器、两个整流器和一个滤波器电容组成。 输出电压和电流能力完全由变压器的额定值确定。整流器二极管和滤波器电容则根据这些最大额定值来选择。 对于需要双极性供电的应用而言(图2)，相同的供电部分只要增加两个二极管和另外一个滤波器电容即可实现简单转换，生成所谓的浮点接地。一个可以实现更稳定、噪声更少的稍胜一筹的方法，是将变压器(图3)更换为次级线圈带有中心抽头的变压器，从而提供电路的接地。 此外，对于简单的设计而言，基本供电就足够了。但是对于复杂的数字设计，这些简单的拓扑所带来的不足相当明显，令人无法忍受。 首先，输出电压一般是实际所需输出电压的接近值，即需要12V时为13.4V；其次，由于温度和交流线路情况，电压和电流漂移没有补偿；第三，减少纹波的唯一方法是增加更大和/或更多的滤波器电容。 其他考虑因素包括：是否需要多个输出、用户安全和电路保护、热条件、PFC、控制以及是否需要满足机构对效率等关键因素提出的要求。 基本电源之外的高级电源 略比基本电源高级的是线性稳压电源，这种电源可将输出电压锁定至精确值，同时可缓冲输出，防止输入电压和负荷出现波动。这种稳压器还可以减少纹波和噪声。 在某些情况下，线性稳压器对电流进行限制，防止电源出现过流。线性稳压电源的另一个功能是可调节输出，这使其可用于实验室和维修站应用。 再往上则是开关电源(SMPS)，这种电源工作时无需大变压器。它们可接受交流输入电压，从而通过电源的开关电路进行快速开关(接近50kHz至1MHz的速度)。 至SMPS的输入先经过整流器，将交流转换成不稳定的非稳压直流。然后该直流进入逆变器(交流变换器)电路，通过功率振荡器将该直流转换成交流。 通过一个小输出变压器在20kHz的频率下工作时，这种交流变换器级耦合至输出滤波器和整流器，交流再次转换成最终输出的直流。为进行稳压，部分输出通过控制器电路被馈回至交流变换器级。 与其他类型的供电相比，SMPS具有诸多优势，应用范围非常之广，从电脑到医疗设备。这些优势包括高效率、元件尺寸更小重量更轻以及发热更低。 当然，这些优势的代价是电路复杂性更高，并且需要分别通过低通滤波和PFC来解决电磁干扰(EMI)和谐波失真问题。 可编程供电适合自动测试设备(ATE)、工业、医疗领域中更为专门的应用，可以使用户远程控制输出电压、电流，并通过GPIB、USB和RS-232等接口控制频率。 可编程供电通常采用微处理器、编程电路、分流和各种回读电路。这种电源也包含过流、过压、短路和温度补偿等各种保护电路，并且可输出直流、交流(单相或两相)和/或ac + dc偏置。 面向更优供电性能的技术 无论何种类型，供电功能是任一电子设备或系统的核心。除提供和输送工作动力(系统的血液)之外，供电还可以为自身及其供电的电路提供电路保护，将自身、系统和用户与输电线进行隔离，并实现整体工作的更高效率。当然，许多此类功能是为了满足某些机构提出的要求。 目前，供电设计工程师对极板的主要考量包括散热问题、效率和控制。当然，尺寸永远都是挑战。在不久的将来，可能会有聪明的设计工程师设计出栓剂大小的60GW SMPS。下面，我们将阐述实现更高效率并满足机构要求的技术。 功率因数校正 在消费电子以及其他应用中是否有必要采用PFC？目前关于此业界仍然存在争议。有些人认为PFC电路不会提高效率，而且会增加供电过程所产生的热量；但也有人宣称，从功耗降低和提升效率的角度来看，PFC非常利于环保。虽然争议仍在继续，但是能源之星(Energy Star)和欧洲供电制造商协会(EPSMA)等管制机构，要求电源制造商将PFC集成到所有的电源产品中。 功率因子是正弦电压与电流波形之间的相差，被公认为是负荷的实际功率与视在功率之比，其结果为0到1之间的小数和/或由小数化成的百分比。 理论上，与具有高功率因子的电力系统相比，具有低功率因子的功率系统汲取的电流更多。更高的电流会转化成更多的能量损失，从而产生更高的能量成本。简言之，PFC可以增加电力的功率因子值。 PFC电路有两种明显的类型：主动和被动。主动或被动校正电路用于SMPS，可降低交流电流的RMS值，从而提高功率因子，同时提供过流保护。 在成本效益方面，主动PFC的成本更高，但是其可获得90%以上的功率因子值；被动PFC成本更低，可实现的功率因子值大约为80%至86%。 效率 按照TI的说法，供电(SMPS)效率可直接通过输出功率除以输入功率来计算。要计算效率的百分比，可使用以下公式： 效率(%) = (VOUT ? IOUT)/(VIN* IIN) *100% 几乎所有人都认为高效率对于所有相关因素而言都是一件好事。但是效率值实际上意味着什么呢？ “对比75%与90%的供电效率时，节省的用电量和以发热形式浪费的能量相当重要。”TDK-Lambda美国公司市场营销副总裁David Norton表示。 对于消费者来讲，效率越高，电费就越低。对于耗电量节节攀升的数据中心和服务器，这种优势产生的效果就相当显著了。而对于走环保路线的厂商（比如医疗设备制造商等众多厂商）来讲，更高的效率是一个广受欢迎的有利优势。 能源之星和80plus等监管机构正在密切关注这个问题。比如，TDK Lambda的DT100-C和DT150-C系列外接AC/DC供电(图4)符合包括EISA、CEC、能源之星EPS Version 2.0、Efficiency Level V等严格的能量要求，分别可提供额定功率从100W到150W的各种型号。这两大系列产品采用了满足EN61000-3-2标准要求的主动PFC，可在90至264Vac(47至63Hz)的常规输入范围内工作。 数字控制 像所有的电子器件或者电路一样，供电通过控制来使它们与其驱动的应用保持一致。模拟控制方案和设备过去一直采用电压和电流控制以及脉宽调制等各种功能来实现控制，这些功能仍然沿用至今。 但是，由于设计工程师和OEM一直都在寻找降低成本和器件数(占用空间)的方法，数字控制应运而生。与模拟技术相比，数字控制可以提供诸多优势，比如对器件引起的变化的耐受能力、执行复杂控制算法的能力、自校准和更快的性能等。 对于SMPS而言，设计工程师通过高度集成且经济的微控制器、微处理器和数字信号处理器，即可运用自如地实现数字控制。此外，数字控制还可以通过TI TMS320LF2407等数字控制器来实现。一些设计工程师表示，优秀的数字控制在供电系统中的目的，就是为了实现比模拟控制器更好的动态性能。 大多数采用数字控制的供电都属于可编程供电范畴，但是这种情况在慢慢发生改变。TDK的EFE系列(图5)嵌入式前端电源，采用8位MCU来实现全数码控制输出和处理内务运作程式。据TDK表示，与同类器件相比，这样做可以将器件数减少25%、尺寸减小45%、重量减轻56%。 300W EFE-300和400W EFE-400单路输出供电可提供可提供133%的峰值功率能力(持续时间为10s)，以及高达90%的效率。EFE-300具有1U外形，尺寸为3×5×1.34英寸，EFE-400的尺寸为3×6×1.34英寸。EFE-300可提供300W的连续功率和持续时间为10s的400W峰值功率，标称输出为12V/25A或24V/12.5A。EFE-400可输出400W的连续功率和持续时间为10s的530W峰值功率，标称输出为12V/33.3A或24V/16.7A。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/19/2011)