高溫環境下的家用綠色電源設計方案

烹飪過程中不僅會產生熱量，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105℃的環境溫度及高濕度條件下發揮穩定性能。除了要滿足國際性EMI及安全標準之外，電源還必須有助于促進日益嚴格的節能目標的實現。

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

為說明如何能在經濟性上滿足EuP Lot 6要求，Power Integrations已針對廚房電器應用設計出了兩款具有成本效益的電源，可實現下述目標：低系統BOM成本；為微控制器和數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%；易于設計：縮短上市時間，降低開發成本；滿足國際標準：EMI、安全及能效。

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

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

初級側控制技術可以省去反饋及控制環路補償電路，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撲結構。來自AC市電經整流的DC電壓，由U1中的高壓MOSFET通過變壓器T1的初級側進行開關。在每次OFF轉換時，T1中的崩潰磁場將能源轉移到次級(引腳8-10)，經整流會產生穩定的DC輸出電壓。針對FB引腳中出現的電壓變化，U1內的ON/OFF控制電路可提供調節功能。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FB電壓持續低于指定電壓水平VFBTH(典型值為1.84 V)時，U1將連續開關，可將最大能量轉移到輸出。這樣會造成輸出電壓升高，因此FB引腳電壓也隨之升高。當FB電壓超過VFBTH時，后續開關周期將被禁止，直至電壓下降。通過調節使能開關周期與禁止開關周期的比例(如圖3所示)，U1可維持±5%的電壓調節率。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生。

ON/OFF控制技術在滿足嚴格的能效規范方面具有顯著優勢，例如EuP Lot 6要求。上面提到的9V電源在滿載時通常可實現70%的效率，并且在整個寬負載范圍內均可維持這一效率水平。PWM電源正好與此相反，其效率往往隨負載的增大而減小。對于待機負載(Io=25mA)，輸入功率僅為115mW，230VAC，可輕松滿足嚴格的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提供內部功率，那么待機功耗甚至會更低。

廚房電器應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。這容易導致漏電，甚至在高壓導線之間產生電弧。Power Integrations同時設計出了DIP和SO-8塑料LinkSwitch封裝選項，擴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生(見圖4)。

Power Integrations推出的第二個電源應用實例說明了如何另外使用極少的元件來設計出雙路輸出電源。有關該應用的具體信息，請參閱設計工程報告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行及提議中的能效標準。反饋控制利用與單路輸出電壓電路同樣的初級側調節技術。從12V和5V輸出吸收的電流都會對變壓器中的磁通量產生影響，從而影響偏置繞組上出現的電壓。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。

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

參考文獻

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.

關于作者

Silvestro Fimiani是Power Integrations(PI)公司電器及工業應用領域的產品營銷經理。在2005年加盟PI之前，Silvestro擔任International Rectifier高功率產品工程總監。他擁有意大利那不勒斯大學物理學學士學位。