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峰值功率与平均功率—如何选择合适的转换器

2022-01-05 17:14
来源: RECOM

许多工程师倾向选择「余量」充足的电源,例如一个应用消耗 5W 的功率,那么会选择 10W 的电源以应付最坏的情况。这背后的理由是除了需要一定的安全系数才能获得高可靠性,也要确保以后在应用电路中添加功能时还有足够的电源容量来应对额外的负载。这些都是难以反驳的有力论点,但它并非总是电源应用最有效的方法。

以 10W AC/DC 电源(例如 RAC10-12SK/277)的典型效率/负载图为例:

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图 1:10W AC/DC 转换器的效率/负载图

效率曲线图显示负载超过 20% 时维持平坦,表现很好。但到了 50% 负载 (5W) 时,效率根据电源电压的不同在 77% 到 81% 之间变化(图 1,橘线)。在 100% 负载下,无论何种输入电压效率都维持在 83% 不变(图 1,蓝线)。这种差异看起来可能并不明显,但 77% 的效率就意味着 30% 的供应能量被浪费为热量,而 83% 的效率代表只有 20% 被浪费,大幅降低了耗散功率。 如果该电源替换成同等的 5W电源,例如 RAC05-12SK/277,那么效率将不受电源电压影响保持在 83%(图 2)。

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图 2. 5W AC/DC 转换器的效率/负载图

另外,它不仅工作效率更高,5W电源的尺寸也只有10W的一半而且还更便宜:这是双赢!

峰值功率与平均功率

您或许会问,那峰值功率呢?在最坏的连续负载条件下,电源要如何应对额外的短期峰值过载?

这里的关键词是「最坏的情况」。在正常运行期间负载通常会低于功率需求。如果转换器在最坏的负载情况下连续工作,它仍然可以轻松处理这样的功率水平,而实际上负载也不会那么高。这为转换器提供了一些「热余量」来处理高于连续工作负载的短期峰值过载。

例如,RAC05-SK/277 规格书提供了峰值负载能力的计算公式(图 3):

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图3. 峰值负载计算公式(源自规格书)

这里的一个重要的数值是 PP – 峰值输出功率。RAC05-SK/277 的标称输出功率为 5W,而实际上它可以在不触发过载保护的情况下提供 6W。过载如果低于标称负载的 120%,转换器内的器件温度是限制因子。如果转换器有足够的时间在过载之后冷却,它就可以承受多次过载或循环过载,同时持续提供稳定的输出电压。

如要应付非常短暂且严重的过载,可以安装一个外部输出电容来提供所需的峰值电流并阻止转换器启动过载保护。这对无线连接微控制器等应用来说很实用,虽然传输突发期间的电流峰值发生的时间既短功率又高,但平均功耗要低得多(图 4)。在这种情况下,电源可以针对提供平均功率而不是峰值功率来设计。

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图 4:支持 WLAN 微控制器的典型电流消耗曲线

到目前为止我们已经探讨了 AC/DC 转换器,但也可以用相同的方式分析 DC/DC 转换器。它们之间的区别在于 DC/DC 转换器是专为在 80-100% 的输出功率范围内连续工作所设计的,它们的效率曲线在低负载时会下降得更快,因此低输出电流并不代表低工作温度。一般来说,应该避免 5W 负载使用 10W DC/DC 转换器,除非遇到除了降额以外没有其他方法可以满足所需的工作温度范围的情况。例如,RS12-Z 系列采用紧凑 SIP8 外壳 (21.8mm x 9.6mm) 提供出色的 12W 隔离功率。

RS12-Z 转换器使用自然对流冷却和标称 24V 电源可在高达 75°C 的温度下全功率工作,而负载降额 50% 时工作温度为 -40°C 至 +85°C。负载减半却只提供 +10°C 的环境温度范围,这是因为转换器不再以最高效率工作。即使如此,仅采用自然对流冷却就可在全工业温度范围内工作的 SIP8 封装 6W 转换器仍然大幅优于竞争对手,因为后者必须求助于强制空气冷却才能提供相同的输出功率。

过流保护

许多低成本的 AC/DC 和 DC/DC 转换器都有非常基本的输出过流保护电路来侦测内部电流取样电阻器的电压降(图 5)。

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图 5:基本的过流保护。电流取样电阻器两端的电压超过 0.7V 时会导通NPN 晶体管并断开功率 FET 的栅极驱动。

这种保护电路虽然简单而且作为短路保护非常有效,但触发点在很大程度上是由电流取样电阻器的容差和 NPN 晶体管的 VBE 阈值电压而定,造成过流限制的变化很大。因此要确定器件值以便在 100% 负载下过流保护不会在环境工作温度范围以上时误触发。这使转换器在室温下具有非常宽的过载容量 — 通常高达标称输出功率的 140%。这种转换器可以在连续满载的情况下可靠工作,同时仍有很大的余量来应付任何过载状况。

这个概述有一个例外,DC/DC 开关稳压器通常以较高的开关频率工作来缩小器件尺寸(降压转换器增加频率会减少输出电感和输出电容),因此如果遇到突发峰值过载时会有较少的功率储备。电流取样电阻器通常与主控制器 IC 集成在一个芯片上,具有更严格的电阻值容差从而降低过流限制的变化。此外,大多数开关稳压器控制器也使用精确的比较器输出来监测逐周期电流限制,而不是依赖不精确的 Vbe 结点阈值电压,因此达到过流或短路保护的极限时它们会立即关闭。由此可见,应该考虑 DC/DC 开关稳压器在最坏情况下的峰值负载条件而非平均负载。

结论

超规格过度指定 AC/DC 或 DC/DC 转换器来应付瞬态峰值负载,就好像它们是一个连续状态,不但会降低效率同时还可能导致电源供应量超出必要范围。通过了解应用的平均、最坏情况和峰值负载等条件,才能选择最适当的解决方案来确保以较低的成本提供可靠的电源电压。我们的技术支持工程师或技术销售团队可以为您的应用提供最好的建议。

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