电源管理技术从电路板扩展至墙壁电源装置
引言
---一直以来,电源管理业界为了控制和降低现代电子器件如手机等的功耗作出了重大努力,使寻找延长这类装置电池寿命的方法成为最首要的任务。这种片面专注于延长独立装置操作时间的做法常常操控了电器“消费者”方面的功率管理工作,而相对地忽略了另一方即“墙壁电源”(例如手机的AC适配器) 的功率控制。
---但是,最近的趋势和法规要求器件包括AC适配器等能满足或超出未来特定的“有源”和“无负载”模式要求,例如美国环保署 (EPA) 用于单电压外部AC-DC电源的Energy Star (能源之星) 倡议。业界因而需要作出配合,使符合标准设计的性能得以保持甚至提升。
---除了在轻负载和满负载运作下同时具备高效率外,AC适配器基于人体工学原因还应尽可能小型化。最小的尺寸 (及最大的功率密度) 是由AC适配器“立方体”所能耗散的热量来决定,并需要维持合理的环境温度。
AC适配器功耗
---AC适配器以一定的效率将线路的电能传送给负载,如：
---η=Pout/Pin=Pout/(Pout+Pd) [1]
---此处η=效率、Pout=传送给负载的功率、Pin=从交流线路吸收的输入功率、Pd=AC适配器内部的耗散功率。
---变换方程式[1]得到耗散功率和输出功率之间的关系：
---Pd = Pout*(1-η)/η [2]
---从方程式[2]可以看到适配器中效率为80% 的开关稳压器的功率损耗相当于传输功率的25%,而效率为50% 的线性稳压器的功率损耗等于提供给负载的功率,即从交流线路所吸收的功率的一半。本例中,线性稳压器在工作状态下消耗的功率是开关稳压器的四倍 (1/0.25) 之多。因此,提供3W峰值功率的5V/620mA AC适配器于开关模式下会在适配器壳体内消耗750mW的功率,而在线性模式下则消耗3W。
AC适配器功率密度
---AC适配器一般要求的壳体温度最大不得超过75℃。壳体温度的升高与功耗和环境温度 (假设最大为45℃) 成正比。密闭壳体内可消耗的热量由热传递和热辐射等热力学规律来决定。一个简单的塑料壳尺寸模型为：
---V=hwl=0.5×1×2=1 Inch3 [3]
---此处,h = 高度、l = 长度、w = 壳的宽度,加上热源会通过ANSYS (基于无限元方法的热仿真器) 进行分析。壳体因电源而生热,并获得壳体表面温度的变化曲线。第一级仿真表明在壳体内需要消耗1W功率来产生壳体表面——最靠近热源的点—— 约74℃ (环境温度45℃) 的峰值温度。
---因此,本例中的AC适配器可安放在这样的壳体中而不会产生过热,而线性稳压器则肯定会超出所允许的最高温度极限。
满负载运作
---为了达到“能源之星”有源模式的效率标准,本例中3W AC适配器的效率必须高于60%。使用飞兆半导体的飞兆电源开关(FPSTM)FSD210离线功率转换器等开关稳压器便能轻易达到或超越这个性能要求。该器件包含用于电流驱动和感应 (最小击穿额定值为700V) 的完全雪崩额定值、低导通电阻SenseFET横向DMOS晶体管(LDMOS) 以及电压模式PWM
