浅谈绿色开关电源的设计要点

只看该作者 · 2013-12-18 22:41

早期的开关电源由于技术不太成熟、器件性能的局限性，一些参数做得不太好像EMC难过关、待机功耗较大、效率不太高等。电磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)，是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC学科以研究和解决这一问题为宗旨，主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是兼容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。

随着现代科学技术的发展，器件的性能提高，特别是节能型电源芯片如雨后春笋般涌现，加上电路设计的成熟，要设计效率高、待机功耗小的节能型开关电源已是不太难的事情，设计节能型开关电源正是适应了节能减排的需求。

本人现在以图一的电路图为例，以美国加州能源之星法案(Ⅳ等级)Table U-2(2008年1月执行)为设计依据来阐述设计绿色开关电源的要点。美国加州能源之星法案(Ⅳ等级)Table U-2的要求如下：

注意1：表中Pn是外置型开关电源的标准输出功率，Ln是自然对数。

注意2：美国加州“能源之星”是强制执行的，是美国加州地方法规。进入美国加州的商品开关电源必须遵守这一法规。我国不少厂商是按照美国加州“能源之星”法案来设计和生产绿色开关电源的。

图一所示是输出为12V3A的并联型反激式开关电源，作为14英寸至17英寸的液晶显示器的电源适配器之用。

绿色开关电源的主要内容是效率高，待机功耗小。36W的效率要求大于83%，待机功耗要小于0.5W。现在的电源芯片供应商提供的一般都是绿色电源芯片，待机功耗一般都会很小。但是，效率高除了与芯片有关外，还与其它器件有流+反向漏电流Idss×反压，用6N60加散热器可满足要求。

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二次整流管工作在高频脉冲状态下，在12V3A输出时，要求工作耐压大于输出电压的4倍，工作电流大于输出电流的3倍，用耐压60V，工作电流为16A的SB1660肖特基二极管可满足要求，但一定要加散热器。

电源芯片的功耗越小越好，因为它除了影响整机效率和待机功耗外，还涉及整机的工作稳定性，其功耗越大，温升越高，工作越不稳定。如昂宝公司的绿色开关电源芯片0B2269AP，其正常工作功耗小于30mW，工作稳定。

早期的开关电源由于技术不太成熟、器件性能的局限性，一些参数做得不太好像EMC难过关、待机功耗较大、效率不太高等。然而，减小开关电源的待机功耗、提高开关电源的效率是大有潜力可挖的，是全球电源行业共同关注的问题。

符合“能源之星”的开关电源又叫“绿色开关电源”，针对开关电源的“能源之星”已经有了多个版本，随着版本的升级，开关电源的效率越来越高，待机功耗越来越小，但设计难度也会越来越大。开关电源的效率一般在满载输出功率时测试，但CEC(美国加州)及“能源之星”规范中对设计的平均效率是在负载的四个测试点进行实际测量。

开关变压器的损耗是整机损耗的大头，它包括铜损和磁损。简单复制人家的优质开关变压器很难做成损耗小的开关变压器的，因为开关变压器的损耗是一个复杂的关系，与磁芯的品质、设计、绕制工艺等有关。拿设计反激式开关变压器而言，它与工作频率、导通时间、绕制方法、磁隙(磨磁芯)等有关。开关变压器的设计是设计开关电源的核心，要有高深的理论知识和多年的经验沉淀，优秀的开关电源设计工程师在选择高品质的磁芯、结合先进的绕制工艺，能设计出效率高于97%的开关变压器。图一中的开关变压器的磁芯选用浙江天通的EE-30L，开关工作频率为65KHz，导通时间是0.42T(T是周期)，初级78圈，次级8圈，芯片供电绕组9圈，初级电感量1.2mH，漏感小于35uH，变压器的效率可达96%，工作时温升低于60℃。阻尼吸收网络由R2、C3、D1组成，D1用UF4007，C3用1000V4700PF的高压瓷片电容器，R2为120K2W的电阻，R2与C3配合得好，脉冲吸收效果明显，R2与C3失配太多，不但损耗加大，还会辐射电磁波而使EMC过不了关。

由于二次整流管在工作时会产生尖脉冲，在输出中会叠加杂波，并且还会辐射电磁波而使EMC难过关，故要在二极管两端并联尖脉冲吸收网络R8与C8，图一中C8为22000PF100V的瓷片电容、R8为56欧姆0.5W的碳膜电阻，此吸收网络也是有一定功耗的，C8越大R8越小，损耗越大。

图一尖脉冲吸收网络的功率损耗小于0.25W。同样要注意，吸收网络的设计也与电源芯片、开关频率、肖特基二极管的特性、变压器的设计有关的。

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阻波电感L2能使输出纹波减小，一般是用漆包线在6毫米粗的磁棒上绕8到16圈。要注意，由于要通过大电流，故漆包线要粗，圈数不要太多，以免产生过大的压降而增大损耗。图一中的L2的电感量为12uH，用粗0.8毫米的漆包线绕制，至于绕多少圈，要视磁棒的磁材料参数而定。

L2的设计与电源的工作频率、输出电流有关。特别提醒大家注意的是，DC输出线(图中未画)一定要达到或超过3A，否则，由于通过的电流大，可能在DC输出线上产生的功率损耗是最大的冤大头。

DC输出线在电源适配器中的价格比重较大，不少生产商会降低其载流量而减少成本，结果会使效率得不到保证。

本人按照图一电路参数设计的反激式开关电源，在国内标准输入电压(220V50Hz正弦交流电)下，在输出功率的25%测试时，输出纹波为45mVpp，效率是83.4%;在输出功率的50%测试时，输出纹波为48mVpp，效率是83.8%;在输出功率的7 5%测试时，输出纹波为53mVpp，效率是84.5%;在满载输出功率测试时，输出纹波为58mVpp，效率是84.8%。待机功耗小于0.4W。符合CEC(美国加州)“能源之星”法案Table U-2(2008年1月执行)绿色开关的要求。

开关电源设计工程师要有深厚的理论功底和丰富的设计经验以及注意设计细节等才能达到美国加州能源之星法案Ⅳ等级的设计要求。然而，符合“能源之星”的绿色开关电源不一定是优质电源，还要求其它参数符合，绿色开关电源只是在原来的开关电源参数上提高了有关能效的参数标准而已。

随着人们低碳生活的需求，所谓“低碳生活”(low-carbon life)就是把生活作息时间中所耗用的能量尽量减少，从而减低二氧化碳的排放量。低碳生活，对于普通人来说是一种生活态度，同时低碳生活宣传海报

所谓“低碳生活”(low-carbon life)就是把生活作息时间中所耗用的能量尽量减少，从而减低二氧化碳的排放量。低碳生活，对于普通人来说是一种生活态度，同时也成为人们推进潮流的新方式。它给我们提出的是一个“愿不愿意和大家共同创造低碳生活”的问题。但是我们应该积极提倡并去实践低碳生活，要注意节电、节气、熄灯一小时…从这些点滴做起。除了植树，还有人买运输里程很短的商品，有人**爬楼梯，形形色色，有的很有趣，有的不免有些麻烦。低碳生活可以理解为：减少二氧化碳的排放，就是低能量、低消耗、低开支的生活。但前提是在不降低生活质量的情况下，尽其所能的节能减排。“节能减排”，不仅是当今社会的流行语，更是关系到人类未来的战略选择。提高“节能减排”意识，对自己的生活方式或消费习惯进行简单易行的改变，一起减少全球温室气体(主要减少二氧化碳)排放，意义十分重大。“低碳生活”节能环保，有利于减缓全球气候变暖和环境恶化的速度。减少二氧化碳排放，选择“低碳生活”，是每位公民应尽的责任。