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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 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 思睿达小妹妹 于 2023-8-8 11:43 编辑 ! @8 o4 L: l- g6 f8 a2 ?
1 `; X; Y5 ?2 R/ j. O
作者:屈工有话说
+ F+ o) H3 J5 \7 ]
) C' _& B( w. _# V: S4 Q# C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。
  W! t) I0 s. }: `3 v, d1 T7 ?) y: s6 B
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。9 H" n4 D* w/ G; S
4 s6 P$ Q" F* r  j
以下为测试样机图片:
/ S1 i- I6 O0 o: S  y+ `* T
! R4 m& ]2 s9 I" x! f& ]

; S8 z9 p3 q6 h
CR6249样机图片
2 @* M2 s" B0 P% N! y( a
【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RCC1 i# N: k6 X8 V% z% g4 [% G
【规格】12V1.5A
+ _8 R6 X- `8 r$ q7 n【控制IC】CR6249
6 u2 C" R, W9 O; P+ ?* X. |7 L$ z* m+ I. [
CR6249:高精度CC/CV原边检测PWM开关
3 ?) C8 |( Y% F! ?! L; j1 O
3 T, v/ }2 M; j& e$ s: }" ~2 P产品概述
* l/ D4 _. g  p: l* C' q3 L

  i: y7 ~" w& A: j  w5 F+ rCR6249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。4 M! ^3 h* I- x( t6 I% {

2 y  X: P6 Y/ D$ D2 ~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。2 T% y( d- i5 X) t) y

7 W$ B& C8 S0 s0 F. z) r6 I1 |主要特点
% @, h# z# }% l$ \# |3 M; X: b# J' R3 {6 w. c  a3 J
● 待机功耗低于75mW
& h; N1 N9 S& u' a1 S9 n) f● 原边检测拓扑结构,无需光耦和TL431
7 n  \+ |9 O4 y) M# {% s; U● 全电压范围内高精度恒压和恒流输出
2 {8 A. F/ w, f( O, c4 x+ z● 可编程CC/CV模式控制. \: o* E; h1 f+ l
● 采用多模式控制的效率均衡技术1 n. i/ z2 d( X# Y
● 高能效QR控制模式# h9 P/ z+ g; S2 ~" e
● 内置输出线电压补偿功能
4 V- L( S  }+ ]" Y! z● 内置初级电感量偏差补偿功能2 [" l( W+ N; F# `2 g
● 内置全电压功率自适应补偿功能& j% s. n, o3 P* T9 a
● 动态负载响应功能" S8 }; ?% }8 R# A$ {( p, M
● 内置过温度保护功能% o, p5 S$ r) N: i4 a- X) b
● 内置输出短路保护功能+ [+ D7 @( X5 H, c2 A# g" v
● 内置前沿消隐
( K% c, m, ~$ F● 启动电流和工作电流低- K- [7 @2 r0 i! Y$ p% E
● VDD端过压保护和钳位保护
. q, Q+ j! u9 s● 逐周期过流保护6 T, m/ e5 T+ q  K
●  内置输出整流二极管短路保护
+ B: T& |  q8 ~" C! Z2 z● 内置输出过压保护功能
2 V9 h, y2 Q4 Q/ e1 f5 z0 _● 内置所有PIN脚悬空保护功能
' A" w5 S0 I7 P  E* w- m● DIP-8L绿色封装
6 Y6 V$ c; `) F2 o$ H( Q1 D* F$ p% ]7 L, H* u. g0 w' w- e
基本应用- D9 g4 C2 u5 k5 B1 ~. T! f+ T
/ Y! P; X1 N+ q  Q
● 小功率电源适配器6 B6 [: M* z% a! ~/ k3 @
● 蜂窝电话充电器+ D0 M0 ^) ~4 M- j
● 数码电源充电器! ?& K0 L" h6 N# t* D' {* B8 t
● 电脑和服务器辅助电源8 [7 b% |4 v; t7 V3 k/ A
● 替代线性调整器和RCC
* n( O6 s# K9 s; O8 D" |! {0 w% H! f- c. C/ x
典型应用
' A* x6 o4 b, K, h. c8 {" m7 B$ `9 ]8 l
引脚分布
, {/ I# D; s( n3 P1 y2 X5 U, n

9 @$ A2 b- ]4 V1 ^! @" k引脚描述+ x* F) }5 f# z! j' E& f" `& p: m
' F; ]3 j5 L7 ~3 e3 f4 c" J0 w8 w
3 C! g1 G( h8 f, w, I1 g
【问题描述】
2 ~% X' y1 w, U7 n$ d+ I* F( c* j* }% Z) a5 Y6 B
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。
; K* _; K) ~8 G5 _/ e7 f0 M4 n# L2 ]; @0 V9 I7 P( {/ H

& W& O) a5 a) f; p; D: t【解决思路】
- @7 i% R( h. c8 @1 S" H2 c" e8 d* d7 I# a5 u" K
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。
& n7 B$ |. w  B9 R6 c% k' Z( u- ]6 T$ q: q/ X6 Y/ X
2、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。& W" o; d! I  R

6 ]9 y! D6 F# S* v* I+ D1 S  W8 ^& c# g3、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。
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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。% A* j/ d: C: r. Y2 k) _
7 j' O& V7 O  C; K! C0 F6 T
5、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。
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6、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。
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( e7 X: X) g; Z4 W【调通要点】
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) p) Z7 ?  J3 Z+ M/ a
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。
8 s9 {/ w0 ]7 ~8 i# ~' C$ S$ e" @
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/ Z3 `, |( T5 o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%。
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【最终结果】  H$ r: c+ P! D7 ^; o( W. v
2 s) d- |; e" b' L
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。
$ \3 _  n  T3 i( q# G3 c( L( O- F. y' q) N5 C$ y7 \) @

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