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提高电源适配器效率,满足六级能效的几个小秘诀 (附案例)

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发表于 2023-8-8 11:42:21 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 思睿达小妹妹 于 2023-8-8 11:43 编辑
4 Q) R* y5 u+ \' |
: w$ M, w* G; T( m作者:屈工有话说  R8 k9 k0 b' ?' h: G( ]

) R) ?% ^  h8 q7 ]& I0 e2 c, j随着能源危机的逐渐加剧,能源效率的提高成为了当今社会发展的重要方向。为了推动能源的节约利用和环境保护,各国纷纷制定了相应的能效标准。六级能效标准作为我国目前最高的能效标准之一,对于能源的有效利用起到了重要的引导作用。当然,对外置电源(如电源适配器、开关电源、充电器等)的要求也越来越高。对于一些厂商来说,既充满机遇也充满挑战。
; m3 k7 |, o# n& b# b' Q1 \
, F& a9 ?1 F6 v1 D9 s0 p- t6 S" [0 l本文以12V1.5A电源适配器为例,分享如何提高平均效率来满足六级能效标准的解决思路。( S' @2 _, h: ~& W, e+ l% s

( _, ~! ~' o% m( X  h以下为测试样机图片:  t- x9 h! v1 L$ v9 Y. y, W" ~

8 d  Z# q' \) R5 r

' O9 y% m8 Y  L, F/ H4 {, O
CR6249样机图片
: C+ c: I6 O5 \! b2 [; M3 |
【应用】电脑和服务器辅助电源/数码电源充电器/替代线性调整器和RCC: C. F; j7 P' f5 w8 e1 e2 Q+ e
【规格】12V1.5A3 @  L5 b. }% g4 l" d
【控制IC】CR6249+ ^- \- A% e) z+ x% E" P/ o# w

' t5 |- i% E+ I5 _CR6249:高精度CC/CV原边检测PWM开关
: ^' a( }0 p+ y5 O5 J( C
9 f. \" t9 w2 U# w5 \( B1 D/ U产品概述
( g6 W0 R- Y8 j% b, g$ W( J

  L, a/ d1 i2 T( }* C1 UCR6249是一款高性能原边检测控制的PWM开关,待机功耗小于75mW。CR6249内部采用了多模式控制的效率均衡技术,用于优化芯片系统待机功耗。QR控制模式提升效率,同时采用了初级电感量补偿技术和内部集成的输出线电压补偿技术,保证了芯片在批量生产过程中CC/CV输出精度,内置的全电压功率自适应补偿技术保证了系统在全电压范围(90V~264V)内输出恒定的功率。+ d6 e& {& B1 U$ W( n9 z! D
% A- b- b. y, Y& Y# t$ q7 z
CR6249集成了多种功能和保护特性,包括欠压锁定(UVLO),VDD过压保护(OVP),软启动,过温保护(OTP),逐周期电流限制(OCP),CS引脚悬空保护,输出短路保护,内置前沿消隐电路,输出整流二极管短路保护电路,输出过压保护电路。而且内置所有PIN脚悬空保护功能,使得芯片具有更高的可靠性。
8 t: V8 x# r. O. z. \, O4 b
6 o) R) |: B/ V3 w- g主要特点) d$ r4 Z. F1 c7 v# u

- C1 @+ S0 s5 P" e0 b  }4 B7 N8 ]● 待机功耗低于75mW6 @$ h! r% ~+ k* K+ d7 |7 L; g
● 原边检测拓扑结构,无需光耦和TL431) r7 N' r+ M# Q9 V( g
● 全电压范围内高精度恒压和恒流输出
5 T- t9 `3 u) I" b  C, N● 可编程CC/CV模式控制: P* Y% Y7 q5 g6 h( e- x5 g
● 采用多模式控制的效率均衡技术( h* @0 {, r% S) }7 {/ p3 m/ a5 K
● 高能效QR控制模式
, G6 y" S8 C# Z) X- q● 内置输出线电压补偿功能/ ]$ z& ?9 X4 v$ @. I
● 内置初级电感量偏差补偿功能, U! U& \% `1 K, b: ~
● 内置全电压功率自适应补偿功能9 {; \  L7 Q8 B. t* }5 N) K
● 动态负载响应功能
6 D5 ~! p: ]. G) B● 内置过温度保护功能
0 P/ f6 Q# }4 y  `. M+ Q  Q3 V/ s) Y● 内置输出短路保护功能
# T4 R5 K% J: g+ P: X: `● 内置前沿消隐
0 h) N1 x  m$ B6 f' c! D9 T8 k● 启动电流和工作电流低
# F; a; h! y7 r+ e/ d& y● VDD端过压保护和钳位保护3 v' ^$ E; {! Y/ D9 @9 @! A
● 逐周期过流保护
; Q( N( ?6 Z, a* s$ K& z% C●  内置输出整流二极管短路保护6 F  k+ S& y7 H4 D; H: X! P
● 内置输出过压保护功能( @0 C( L! S: D
● 内置所有PIN脚悬空保护功能: z+ }% w1 z  U6 Z) c, J
● DIP-8L绿色封装( U$ E5 M2 |: i) d
& D6 A) }7 v( \2 y1 l' E
基本应用) P# N* g/ b/ {1 p
4 Y' H+ J% Q& @5 i& W7 x
● 小功率电源适配器+ J* J( D% u' R8 ~  H( m8 A8 O# D
● 蜂窝电话充电器2 @; r4 `! ~5 b% T% ^. {, T$ u* D
● 数码电源充电器
# f0 O- b. Q. I$ q% }● 电脑和服务器辅助电源
8 S' G" ~! m# W5 _# Q● 替代线性调整器和RCC
$ y7 N% }* z# t: u6 S/ J
( g0 ~6 a+ y" n4 Y: P+ a典型应用* G6 N. w' s( w3 j" _5 p
7 f& g: m2 A* R6 i* e7 m0 m9 v- k) U2 s
引脚分布5 z9 y2 j) R5 d2 f8 }" x  }- x
* C4 Q  o5 J8 s7 n9 q2 h2 o
引脚描述, c) l4 n! R* s( o
" Z2 P& M3 {6 \  D- i# B" c

% w3 g7 H4 P  u+ e9 z$ C9 s【问题描述】  n( U. K$ Q( z0 [

- ?2 G/ G6 x: T' g如下图所示,高低压平均效率只有84.64%左右,而六级能效需要85%的效率,未能满足六级能效。
8 w; s" l& P& S5 n9 D# `+ c% Z
, f# X% j9 ?8 q  \
1 ~' J" Q; S, J- n
【解决思路】7 K/ q1 `# O& I5 d0 t

& D) f* o2 X: f: b& c9 q9 g6 J9 s' `1、选择高效的功率开关器件:合理选择低导通和开关损耗的功率开关器件,如MOSFET或IGBT。这些器件应具有快速的开关速度和低导通电阻,以减少能量损耗。
3 F/ K: Q$ p3 q6 O$ F
) Q( s8 G( I: u& T4 u; O  D2、合适的开关频率:选择适当的开关频率可以平衡开关损耗和输出滤波器尺寸。较高的开关频率可以减小开关器件的开关损耗,但也可能增加输出滤波器的尺寸和成本。因此,需要在效率和成本之间进行权衡。
+ z  R: A2 a1 x) P+ Q6 m# P1 I+ _  x# V: |
3、优化反激变压器设计:反激变压器是反激开关电源中的关键元件,合理设计和选用变压器可以提高电源的效率。通过减小变压器的漏感、减小铜损耗和磁芯损耗,可以降低能量损耗并提高效率。6 R3 ~5 |8 |3 ^, J
) o" ^+ _: ^- U1 n
4、采用合适的控制策略:选择合适的控制策略,如当前模式控制或电压模式控制,可以提高电源的动态响应和稳定性,从而提高效率。) b9 v6 j8 @) O  w8 {" l* t

, p' r& }( j. d, W/ D8 T; N5、优化输出滤波器设计:合理设计输出滤波器可以减少输出纹波和滤波器损耗,提高电源的效率。选择合适的滤波器元件和拓扑结构,以及进行合理的参数调节,可以达到最佳的滤波效果。
( e. G8 w+ c6 d1 m' \
; ?" o: u; z- Q% k8 H* P* M6、高效的辅助电路设计:包括合理设计电源输入滤波电路、启动电路、过压保护电路等,以减少附加能量损耗,提高整个系统的效率。
4 R% m3 @- b8 t  U- g4 {  R( r0 ~: v) J6 _! b. R) J2 t3 T: O( X
【调通要点】
$ ~; n7 t3 J. h+ w/ Z
9 a6 e. E; }! g' s$ r; i, A
" j9 d5 Q$ f! c5 F5 `# X" n$ V
使用示波器抓开关频率,发现频率只有35KHz偏低。IC本身良好的工作频率在50KHz左右,于是通过减小OCP到1.8A来提升开关频率至45KHz,效率提升了1个多点,达到86.24%,能满足六级能效。但由于测试效率为板端,为考虑带线测试时留有余量,继续优化效率。& m. A1 t, b8 v# Z

$ n. K/ K/ G1 m* ?

  c* A2 U& G" m- b, O2 a. e" Z. Q经观察发现次级输出电容容值为560uF,而电源负载为1.5A,容值相对来说偏小,于是尝试增大输出电容至820uF,效率提升了0.38%。/ a8 \2 v1 B: F! d' B# E# u. }

: c- X2 a7 h9 M0 ^+ w【最终结果】
: B( V5 z8 O  u6 t! u( C/ ]1 a
由于变压器感量已经很大,无法通过变压器感量提升效率。在考虑成本的情况下,不换大号的IC、不换内阻更小的肖特基的情况下,此效率几乎已达极限,能够满足客户需求。; |1 e0 m+ o' l. y# U3 D, k. a5 i
; t/ ~( F: m( J' E: c* F/ F% y* X

% ~: c; t+ }( C6 m6 }3 w

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