電源管理技術從電路板擴展至墻壁電源裝置
引言
---一直以來,電源管理業(yè)界為了控制和降低現(xiàn)代電子器件如手機等的功耗作出了重大努力,使尋找延長這類裝置電池壽命的方法成為最首要的任務。這種片面專注于延長獨立裝置操作時間的做法常常操控了電器“消費者”方面的功率管理工作,而相對地忽略了另一方即“墻壁電源”(例如手機的AC適配器) 的功率控制。
---但是,最近的趨勢和法規(guī)要求器件包括AC適配器等能滿足或超出未來特定的“有源”和“無負載”模式要求,例如美國環(huán)保署 (EPA) 用于單電壓外部AC-DC電源的Energy Star (能源之星) 倡議。業(yè)界因而需要作出配合,使符合標準設計的性能得以保持甚至提升。
---除了在輕負載和滿負載運作下同時具備高效率外,AC適配器基于人體工學原因還應盡可能小型化。最小的尺寸 (及最大的功率密度) 是由AC適配器“立方體”所能耗散的熱量來決定,并需要維持合理的環(huán)境溫度。
AC適配器功耗
---AC適配器以一定的效率將線路的電能傳送給負載,如：
---η=Pout/Pin=Pout/(Pout+Pd) [1]
---此處η=效率、Pout=傳送給負載的功率、Pin=從交流線路吸收的輸入功率、Pd=AC適配器內部的耗散功率。
---變換方程式[1]得到耗散功率和輸出功率之間的關系：
---Pd = Pout*(1-η)/η [2]
---從方程式[2]可以看到適配器中效率為80% 的開關穩(wěn)壓器的功率損耗相當于傳輸功率的25%,而效率為50% 的線性穩(wěn)壓器的功率損耗等于提供給負載的功率,即從交流線路所吸收的功率的一半。本例中,線性穩(wěn)壓器在工作狀態(tài)下消耗的功率是開關穩(wěn)壓器的四倍 (1/0.25) 之多。因此,提供3W峰值功率的5V/620mA AC適配器于開關模式下會在適配器殼體內消耗750mW的功率,而在線性模式下則消耗3W。
AC適配器功率密度
---AC適配器一般要求的殼體溫度最大不得超過75℃。殼體溫度的升高與功耗和環(huán)境溫度 (假設最大為45℃) 成正比。密閉殼體內可消耗的熱量由熱傳遞和熱輻射等熱力學規(guī)律來決定。一個簡單的塑料殼尺寸模型為：
---V=hwl=0.5×1×2=1 Inch3 [3]
---此處,h = 高度、l = 長度、w = 殼的寬度,加上熱源會通過ANSYS (基于無限元方法的熱仿真器) 進行分析。殼體因電源而生熱,并獲得殼體表面溫度的變化曲線。第一級仿真表明在殼體內需要消耗1W功率來產生殼體表面——最靠近熱源的點—— 約74℃ (環(huán)境溫度45℃) 的峰值溫度。
---因此,本例中的AC適配器可安放在這樣的殼體中而不會產生過熱,而線性穩(wěn)壓器則肯定會超出所允許的最高溫度極限。
滿負載運作
---為了達到“能源之星”有源模式的效率標準,本例中3W AC適配器的效率必須高于60%。使用飛兆半導體的飛兆電源開關(FPSTM)FSD210離線功率轉換器等開關穩(wěn)壓器便能輕易達到或超越這個性能要求。該器件包含用于電流驅動和感應 (最小擊穿額定值為700V) 的完全雪崩額定值、低導通電阻SenseFET橫向DMOS晶體管(LDMOS) 以及電壓模式PWM
