高溫環(huán)境下的家用綠色電源設(shè)計方案

烹飪過程中不僅會產(chǎn)生熱量，同時也會釋放大量的水蒸氣和冷凝水蒸汽。廚具電子控制裝置中的電源必須在高達(dá)105℃的環(huán)境溫度及高濕度條件下發(fā)揮穩(wěn)定性能。除了要滿足國際性EMI及安全標(biāo)準(zhǔn)之外，電源還必須有助于促進(jìn)日益嚴(yán)格的節(jié)能目標(biāo)的實現(xiàn)。

能源消耗的結(jié)果遠(yuǎn)不止于電量的使用。其他必須考慮的因素包括材料和資源的使用、廢棄物的產(chǎn)生以及環(huán)境污染物的排放。據(jù)估計，與產(chǎn)品相關(guān)的所有環(huán)境影響的80%以上都由產(chǎn)品的設(shè)計階段決定(1)。正是在此背景下，歐盟委員發(fā)布了生態(tài)設(shè)計指令，以確保在歐洲銷售的所有用能產(chǎn)品(EuP)在最初設(shè)計時都能將環(huán)境影響降至最小。值得一提的是，生態(tài)設(shè)計指令致力于降低產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的能耗水平。對于家用電器中的輔助電源，可適用EuP Lot 6要求(見表1)。

為說明如何能在經(jīng)濟(jì)性上滿足EuP Lot 6要求，Power Integrations已針對廚房電器應(yīng)用設(shè)計出了兩款具有成本效益的電源，可實現(xiàn)下述目標(biāo)：低系統(tǒng)BOM成本；為微控制器和數(shù)字邏輯提供精確的輸出電壓；在極端工作條件下具有高可靠性：Ta = 85℃ /105℃，濕度85%；易于設(shè)計：縮短上市時間，降低開發(fā)成本；滿足國際標(biāo)準(zhǔn)：EMI、安全及能效。

第一個電源應(yīng)用可在0℃到105℃的工作環(huán)境下以175至265VAC輸入電壓提供9V，250mA的隔離式輸出。具體應(yīng)用信息在設(shè)計工程報告DER-214(2)中有詳細(xì)介紹，電路圖如下面圖1所示。

該設(shè)計基于Power Integrations的LinkSwitch-CV系列產(chǎn)品LNK623PG器件設(shè)計而成(3)。該器件集成有一個700V MOSFET和制作開關(guān)電源所需的所有控制及保護(hù)電路。LinkSwitch器件的特有功能之一是，它可以對輸出電壓調(diào)節(jié)提供初級側(cè)控制。確保5%電壓控制的反饋功能由變壓器內(nèi)的偏置繞組(引腳4-5)提供。

初級側(cè)控制技術(shù)可以省去反饋及控制環(huán)路補償電路，因此能大幅降低BOM成本和提高整體可靠性。在圖2中，因采用初級控制技術(shù)而省去的元件以紅色突出顯示。

圖1所示的電路采用了反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。來自AC市電經(jīng)整流的DC電壓，由U1中的高壓MOSFET通過變壓器T1的初級側(cè)進(jìn)行開關(guān)。在每次OFF轉(zhuǎn)換時，T1中的崩潰磁場將能源轉(zhuǎn)移到次級(引腳8-10)，經(jīng)整流會產(chǎn)生穩(wěn)定的DC輸出電壓。針對FB引腳中出現(xiàn)的電壓變化，U1內(nèi)的ON/OFF控制電路可提供調(diào)節(jié)功能。FB引腳的電壓與偏置繞組(引腳4-5)上的電壓成正比，同理，也與主輸出繞組(引腳8-10)上的電壓成正比。

當(dāng)FB電壓持續(xù)低于指定電壓水平VFBTH(典型值為1.84 V)時，U1將連續(xù)開關(guān)，可將最大能量轉(zhuǎn)移到輸出。這樣會造成輸出電壓升高，因此FB引腳電壓也隨之升高。當(dāng)FB電壓超過VFBTH時，后續(xù)開關(guān)周期將被禁止，直至電壓下降。通過調(diào)節(jié)使能開關(guān)周期與禁止開關(guān)周期的比例(如圖3所示)，U1可維持±5%的電壓調(diào)節(jié)率。在輕載條件下，還會降低MOSFET電流限流點以減小變壓器磁通密度，從而防止音頻噪聲的產(chǎn)生。

ON/OFF控制技術(shù)在滿足嚴(yán)格的能效規(guī)范方面具有顯著優(yōu)勢，例如EuP Lot 6要求。上面提到的9V電源在滿載時通常可實現(xiàn)70%的效率，并且在整個寬負(fù)載范圍內(nèi)均可維持這一效率水平。PWM電源正好與此相反，其效率往往隨負(fù)載的增大而減小。對于待機(jī)負(fù)載(Io=25mA)，輸入功率僅為115mW，230VAC，可輕松滿足嚴(yán)格的EuP Lot 6要求。如果分別添加一個二極管、電容和電阻，從變壓器偏置繞組為U1提供內(nèi)部功率，那么待機(jī)功耗甚至?xí)汀?

廚房電器應(yīng)用的一項重要考慮因素就是安全及可靠性。在高溫和潮濕的環(huán)境下，隨著時間的推移，元件表面會積累起厚厚的污染物。這容易導(dǎo)致漏電，甚至在高壓導(dǎo)線之間產(chǎn)生電弧。Power Integrations同時設(shè)計出了DIP和SO-8塑料LinkSwitch封裝選項，擴(kuò)展了漏極引腳和所有其他引腳之間的爬電距離，可避免漏電問題的產(chǎn)生(見圖4)。

Power Integrations推出的第二個電源應(yīng)用實例說明了如何另外使用極少的元件來設(shè)計出雙路輸出電源。有關(guān)該應(yīng)用的具體信息，請參閱設(shè)計工程報告DER-213(4)。電路圖如下面圖5所示。

盡管該電路所用元件較少，但它仍可滿足所有現(xiàn)行及提議中的能效標(biāo)準(zhǔn)。反饋控制利用與單路輸出電壓電路同樣的初級側(cè)調(diào)節(jié)技術(shù)。從12V和5V輸出吸收的電流都會對變壓器中的磁通量產(chǎn)生影響，從而影響偏置繞組上出現(xiàn)的電壓。這可使U1很容易地在兩個輸出電路上維持±5%的輸出電壓容差。

上述兩個應(yīng)用電路均經(jīng)過精心設(shè)計，同時集成了遲滯熱關(guān)斷、自動重啟動輸出電路保護(hù)、EMI濾波以及其他安全功能。詳細(xì)信息可參見相關(guān)的設(shè)計范例報告(DER-214和DER-213)。這兩個電源應(yīng)用的推出證明了，設(shè)計工程師完全可以利用極少的元件設(shè)計出既適合廚房電器應(yīng)用、又可輕松滿足現(xiàn)行及提議中的能效標(biāo)準(zhǔn)的電源。

參考文獻(xiàn)

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.

關(guān)于作者

Silvestro Fimiani是Power Integrations(PI)公司電器及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品營銷經(jīng)理。在2005年加盟PI之前，Silvestro擔(dān)任International Rectifier高功率產(chǎn)品工程總監(jiān)。他擁有意大利那不勒斯大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。