供電系統(tǒng)是所有產(chǎn)品(包括干線供電產(chǎn)品和電池供電產(chǎn)品)必不可少的組成部分，它可以實(shí)現(xiàn)和確保所有電路區(qū)域正常工作。除了提供工作動(dòng)力之外，有些供電系統(tǒng)還可以檢測(cè)甚至在某些情況下校正復(fù)雜電路中的異常。
從過(guò)去到現(xiàn)在，能源一直都是技術(shù)市場(chǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。隨著無(wú)數(shù)公司積極向“綠色”(也稱為環(huán)保)方向發(fā)展，監(jiān)管機(jī)構(gòu)期望通過(guò)制定能效標(biāo)準(zhǔn)來(lái)降低功耗，每個(gè)人都希望節(jié)能。甚至消費(fèi)者也在低電費(fèi)的美好愿景下怦然心動(dòng)，開(kāi)始尋找可能節(jié)省電費(fèi)的產(chǎn)品和設(shè)備。
并非只有能源OEM專注于降低能耗。整個(gè)技術(shù)社群有著相同的目標(biāo)。畢竟，即使你能夠設(shè)計(jì)出功效最高、超級(jí)環(huán)保且優(yōu)于所有現(xiàn)行法規(guī)章程的電源產(chǎn)品，甚至是一些前人從未想到的電源產(chǎn)品，但是如果這個(gè)產(chǎn)品被用在一批設(shè)計(jì)超爛、功效極低的電路上時(shí)，你所有的付出還是會(huì)歸結(jié)為零。
仔細(xì)分析基本技術(shù)
目前有幾個(gè)流行的電源類型和三個(gè)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能和高功效的可行技巧，包括線性穩(wěn)壓、開(kāi)關(guān)模式和可編程電源，功率因子校正(PFC)、效率以及數(shù)字控制。下面我們將快速回顧一些基礎(chǔ)知識(shí)，然后再繼續(xù)討論。
大多數(shù)情況下，人們都假定供電是將高電平交流電壓轉(zhuǎn)換成相同或較低的直流電壓，然后再為特定電路或器件供電。當(dāng)然，這樣的說(shuō)法并不完全正確，因?yàn)橛械钠骷?也被稱為供電)是將AC轉(zhuǎn)換為AC，將DC轉(zhuǎn)換為DC。為了便于討論，我們還是堅(jiān)持這個(gè)假定，即供電(power supply)就是指AC/DC轉(zhuǎn)換器，而將DC/DC轉(zhuǎn)換器等其他器件都稱為電源(power source)。
不管是復(fù)雜的、機(jī)密的還是外來(lái)的設(shè)計(jì)，大多數(shù)供電系統(tǒng)的前端都采用最為原始的技術(shù)。插墻式交流電進(jìn)入降壓或升壓變壓器，然后再饋入整流器和濾波電路。
供電可以相當(dāng)簡(jiǎn)單，也可以非常復(fù)雜，這取決于具體應(yīng)用對(duì)直流電源的需要。對(duì)于實(shí)驗(yàn)、業(yè)余愛(ài)好和一些直流器件的供電，或許一個(gè)基本的單極性供電(圖1)就足夠了。
由于經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)且器件數(shù)量很少，因此基本供電仍是目前許多最為先進(jìn)器件中的骨干�；竟╇妰H由一個(gè)降壓交流變壓器、兩個(gè)整流器和一個(gè)濾波器電容組成。
輸出電壓和電流能力完全由變壓器的額定值確定。整流器二極管和濾波器電容則根據(jù)這些最大額定值來(lái)選擇。
對(duì)于需要雙極性供電的應(yīng)用而言(圖2)，相同的供電部分只要增加兩個(gè)二極管和另外一個(gè)濾波器電容即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換，生成所謂的浮點(diǎn)接地。一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、噪聲更少的稍勝一籌的方法，是將變壓器(圖3)更換為次級(jí)線圈帶有中心抽頭的變壓器，從而提供電路的接地。
此外，對(duì)于簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)而言，基本供電就足夠了。但是對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字設(shè)計(jì)，這些簡(jiǎn)單的拓?fù)渌鶐?lái)的不足相當(dāng)明顯，令人無(wú)法忍受。
首先，輸出電壓一般是實(shí)際所需輸出電壓的接近值，即需要12V時(shí)為13.4V；其次，由于溫度和交流線路情況，電壓和電流漂移沒(méi)有補(bǔ)償；第三，減少紋波的唯一方法是增加更大和/或更多的濾波器電容。
其他考慮因素包括：是否需要多個(gè)輸出、用戶安全和電路保護(hù)、熱條件、PFC、控制以及是否需要滿足機(jī)構(gòu)對(duì)效率等關(guān)鍵因素提出的要求。
基本電源之外的高級(jí)電源
略比基本電源高級(jí)的是線性穩(wěn)壓電源，這種電源可將輸出電壓鎖定至精確值，同時(shí)可緩沖輸出，防止輸入電壓和負(fù)荷出現(xiàn)波動(dòng)。這種穩(wěn)壓器還可以減少紋波和噪聲。
在某些情況下，線性穩(wěn)壓器對(duì)電流進(jìn)行限制，防止電源出現(xiàn)過(guò)流。線性穩(wěn)壓電源的另一個(gè)功能是可調(diào)節(jié)輸出，這使其可用于實(shí)驗(yàn)室和維修站應(yīng)用。
再往上則是開(kāi)關(guān)電源(SMPS)，這種電源工作時(shí)無(wú)需大變壓器。它們可接受交流輸入電壓，從而通過(guò)電源的開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)(接近50kHz至1MHz的速度)。
至SMPS的輸入先經(jīng)過(guò)整流器，將交流轉(zhuǎn)換成不穩(wěn)定的非穩(wěn)壓直流。然后該直流進(jìn)入逆變器(交流變換器)電路，通過(guò)功率振蕩器將該直流轉(zhuǎn)換成交流。
通過(guò)一個(gè)小輸出變壓器在20kHz的頻率下工作時(shí)，這種交流變換器級(jí)耦合至輸出濾波器和整流器，交流再次轉(zhuǎn)換成最終輸出的直流。為進(jìn)行穩(wěn)壓，部分輸出通過(guò)控制器電路被饋回至交流變換器級(jí)。
與其他類型的供電相比，SMPS具有諸多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍非常之廣，從電腦到醫(yī)療設(shè)備。這些優(yōu)勢(shì)包括高效率、元件尺寸更小重量更輕以及發(fā)熱更低。
當(dāng)然，這些優(yōu)勢(shì)的代價(jià)是電路復(fù)雜性更高，并且需要分別通過(guò)低通濾波和PFC來(lái)解決電磁干擾(EMI)和諧波失真問(wèn)題。
可編程供電適合自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)、工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域中更為專門(mén)的應(yīng)用，可以使用戶遠(yuǎn)程控制輸出電壓、電流，并通過(guò)GPIB、USB和RS-232等接口控制頻率。
可編程供電通常采用微處理器、編程電路、分流和各種回讀電路。這種電源也包含過(guò)流、過(guò)壓、短路和溫度補(bǔ)償?shù)雀鞣N保護(hù)電路，并且可輸出直流、交流(單相或兩相)和/或ac + dc偏置。
面向更優(yōu)供電性能的技術(shù)
無(wú)論何種類型，供電功能是任一電子設(shè)備或系統(tǒng)的核心。除提供和輸送工作動(dòng)力(系統(tǒng)的血液)之外，供電還可以為自身及其供電的電路提供電路保護(hù)，將自身、系統(tǒng)和用戶與輸電線進(jìn)行隔離，并實(shí)現(xiàn)整體工作的更高效率。當(dāng)然，許多此類功能是為了滿足某些機(jī)構(gòu)提出的要求。
目前，供電設(shè)計(jì)工程師對(duì)極板的主要考量包括散熱問(wèn)題、效率和控制。當(dāng)然，尺寸永遠(yuǎn)都是挑戰(zhàn)。在不久的將來(lái)，可能會(huì)有聰明的設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出栓劑大小的60GW SMPS。下面，我們將闡述實(shí)現(xiàn)更高效率并滿足機(jī)構(gòu)要求的技術(shù)。
功率因數(shù)校正 在消費(fèi)電子以及其他應(yīng)用中是否有必要采用PFC？目前關(guān)于此業(yè)界仍然存在爭(zhēng)議。有些人認(rèn)為PFC電路不會(huì)提高效率，而且會(huì)增加供電過(guò)程所產(chǎn)生的熱量；但也有人宣稱，從功耗降低和提升效率的角度來(lái)看，PFC非常利于環(huán)保。雖然爭(zhēng)議仍在繼續(xù)，但是能源之星(Energy Star)和歐洲供電制造商協(xié)會(huì)(EPSMA)等管制機(jī)構(gòu)，要求電源制造商將PFC集成到所有的電源產(chǎn)品中。
功率因子是正弦電壓與電流波形之間的相差，被公認(rèn)為是負(fù)荷的實(shí)際功率與視在功率之比，其結(jié)果為0到1之間的小數(shù)和/或由小數(shù)化成的百分比。
理論上，與具有高功率因子的電力系統(tǒng)相比，具有低功率因子的功率系統(tǒng)汲取的電流更多。更高的電流會(huì)轉(zhuǎn)化成更多的能量損失，從而產(chǎn)生更高的能量成本。簡(jiǎn)言之，PFC可以增加電力的功率因子值。
PFC電路有兩種明顯的類型：主動(dòng)和被動(dòng)。主動(dòng)或被動(dòng)校正電路用于SMPS，可降低交流電流的RMS值，從而提高功率因子，同時(shí)提供過(guò)流保護(hù)。
在成本效益方面，主動(dòng)PFC的成本更高，但是其可獲得90%以上的功率因子值；被動(dòng)PFC成本更低，可實(shí)現(xiàn)的功率因子值大約為80%至86%。
效率 按照TI的說(shuō)法，供電(SMPS)效率可直接通過(guò)輸出功率除以輸入功率來(lái)計(jì)算。要計(jì)算效率的百分比，可使用以下公式：
效率(%) = (VOUT ? IOUT)/(VIN* IIN) *100%
幾乎所有人都認(rèn)為高效率對(duì)于所有相關(guān)因素而言都是一件好事。但是效率值實(shí)際上意味著什么呢？
“對(duì)比75%與90%的供電效率時(shí)，節(jié)省的用電量和以發(fā)熱形式浪費(fèi)的能量相當(dāng)重要。”TDK-Lambda美國(guó)公司市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁David Norton表示。
對(duì)于消費(fèi)者來(lái)講，效率越高，電費(fèi)就越低。對(duì)于耗電量節(jié)節(jié)攀升的數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器，這種優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的效果就相當(dāng)顯著了。而對(duì)于走環(huán)保路線的廠商（比如醫(yī)療設(shè)備制造商等眾多廠商）來(lái)講，更高的效率是一個(gè)廣受歡迎的有利優(yōu)勢(shì)。
能源之星和80plus等監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在密切關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。比如，TDK Lambda的DT100-C和DT150-C系列外接AC/DC供電(圖4)符合包括EISA、CEC、能源之星EPS Version 2.0、Efficiency Level V等嚴(yán)格的能量要求，分別可提供額定功率從100W到150W的各種型號(hào)。這兩大系列產(chǎn)品采用了滿足EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求的主動(dòng)PFC，可在90至264Vac(47至63Hz)的常規(guī)輸入范圍內(nèi)工作。
數(shù)字控制 像所有的電子器件或者電路一樣，供電通過(guò)控制來(lái)使它們與其驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用保持一致。模擬控制方案和設(shè)備過(guò)去一直采用電壓和電流控制以及脈寬調(diào)制等各種功能來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，這些功能仍然沿用至今。
但是，由于設(shè)計(jì)工程師和OEM一直都在尋找降低成本和器件數(shù)(占用空間)的方法，數(shù)字控制應(yīng)運(yùn)而生。與模擬技術(shù)相比，數(shù)字控制可以提供諸多優(yōu)勢(shì)，比如對(duì)器件引起的變化的耐受能力、執(zhí)行復(fù)雜控制算法的能力、自校準(zhǔn)和更快的性能等。
對(duì)于SMPS而言，設(shè)計(jì)工程師通過(guò)高度集成且經(jīng)濟(jì)的微控制器、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器，即可運(yùn)用自如地實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。此外，數(shù)字控制還可以通過(guò)TI TMS320LF2407等數(shù)字控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。一些設(shè)計(jì)工程師表示，優(yōu)秀的數(shù)字控制在供電系統(tǒng)中的目的，就是為了實(shí)現(xiàn)比模擬控制器更好的動(dòng)態(tài)性能。
大多數(shù)采用數(shù)字控制的供電都屬于可編程供電范疇，但是這種情況在慢慢發(fā)生改變。TDK的EFE系列(圖5)嵌入式前端電源，采用8位MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)全數(shù)碼控制輸出和處理內(nèi)務(wù)運(yùn)作程式。據(jù)TDK表示，與同類器件相比，這樣做可以將器件數(shù)減少25%、尺寸減小45%、重量減輕56%。
300W EFE-300和400W EFE-400單路輸出供電可提供可提供133%的峰值功率能力(持續(xù)時(shí)間為10s)，以及高達(dá)90%的效率。EFE-300具有1U外形，尺寸為3×5×1.34英寸，EFE-400的尺寸為3×6×1.34英寸。EFE-300可提供300W的連續(xù)功率和持續(xù)時(shí)間為10s的400W峰值功率，標(biāo)稱輸出為12V/25A或24V/12.5A。EFE-400可輸出400W的連續(xù)功率和持續(xù)時(shí)間為10s的530W峰值功率，標(biāo)稱輸出為12V/33.3A或24V/16.7A。 |
