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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
# F% R/ l6 w5 _8 v- q
. @8 H2 s0 u+ O% Q作者:屈工有话说
- g- u( v$ }$ {' S9 m1 Z4 _
7 d; Z3 C, a4 J4 b  B% i4 H% q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。
: b: {( g4 |# B! }( w3 E/ a
6 u3 o- |* r! j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。
0 X7 y7 w, e0 T9 v7 Y9 X  m1 X' @$ g8 y( o/ A* f$ o
以下为测试样机图片:
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0 `- [# u0 \" _; `. _
CR6249样机图片

8 x' F! d+ e+ K1 f  i  \7 m【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
# N( U% h9 `1 a" F7 i4 B【规格】12V1.5A
' E7 \5 l. [. V2 G) m$ l/ p( H【控制IC】CR6249/ r. p6 H, E9 j! ~# Z2 c: a
1 I6 v7 p- ~4 ^
CR6249:高精度CC/CV原边检测PWM开关
  |; i$ @8 d0 ]8 [. f5 ]8 i6 c+ v, [( F! w
产品概述

: u) j  G" V: ]/ G6 o1 p, U, V+ A+ g( s8 q* X
CR6249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。$ d! K& ?( {1 ?& u6 l. d! i
/ G" A2 |0 ]7 O' F" e  d
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。5 h: j8 W7 u( c- ^: b  o  l# H
8 u+ W' k! \3 u( f) a# L- Z
主要特点
& {  T& d4 j9 s  o0 h9 V. w4 |; O7 R# A$ y( u
● 待机功耗低于75mW3 v3 [- J, M' Q
● 原边检测拓扑结构,无需光耦和TL431( M9 k' u  i/ j2 H8 k* m/ v
● 全电压范围内高精度恒压和恒流输出
) v! G9 O- e0 m! y$ n) K● 可编程CC/CV模式控制3 r2 q( s( S# B! Q0 ?
● 采用多模式控制的效率均衡技术# e- V5 E, T- E) K
● 高能效QR控制模式
8 r0 N# l0 P9 V' v/ t: S% g/ N$ x● 内置输出线电压补偿功能
3 d  @* c2 J0 L( x& Y$ Q% {● 内置初级电感量偏差补偿功能2 Y$ u7 ], H5 Z" M
● 内置全电压功率自适应补偿功能
$ s1 r) Y2 @& U- W" k' {● 动态负载响应功能
" D; e% R, Z  V2 g● 内置过温度保护功能
0 v) n) o  s0 A+ h● 内置输出短路保护功能; f( k- G1 g  F) ~9 h) ?- I
● 内置前沿消隐6 E; K; }( E1 \/ n
● 启动电流和工作电流低- M3 L" Y) i( K7 P! s. b* Q
● VDD端过压保护和钳位保护
3 ^1 ?5 `# j* v● 逐周期过流保护9 w2 B! B+ z& Q2 ~' y% \
●  内置输出整流二极管短路保护: O3 V5 R- j' {0 T
● 内置输出过压保护功能
! e" Z" }( Z; b& C2 P) J● 内置所有PIN脚悬空保护功能
/ ?" x+ F$ Z  ~5 K: x● DIP-8L绿色封装7 q( G( {3 S. j5 t3 z6 j

/ C6 r) w/ n( S- `  B' R基本应用
8 N5 x  G9 ?- U: K. e& `! T2 a; e! ~9 e
; D3 f3 Z, P- ^6 S● 小功率电源适配器
; t* g1 E* a4 x% K2 c4 Z) [● 蜂窝电话充电器
( A. N: k6 z) w) P( F: B● 数码电源充电器
) `! T% ]4 L  N. h3 |% }● 电脑和服务器辅助电源6 K" w( r+ n7 O
● 替代线性调整器和RCC3 u1 {$ {# R! I
! _" z7 L! k0 t7 y5 e
典型应用/ L2 F, C7 g8 v2 H  P
, T! V2 O: H- `! j  O. b9 v
引脚分布0 \$ ~; Z2 f$ e& C5 d( b, v& {

' y' V1 s5 j4 G0 V, _/ |引脚描述
1 W+ O* P7 Y7 p( o8 E7 {, l4 T8 v1 @9 G1 X" @

! {, L# Z/ N* m7 K【问题描述】
6 D+ J3 P& V2 D( T/ d/ T$ b( m5 u/ b5 {+ v5 Y6 t" S
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。
  F. M; \4 D" Q2 y( |, f8 u& L% y
, x3 a' H8 Y4 B, l. x" T
0 d1 X; P$ P4 [$ s
【解决思路】
' I/ s6 Q# }: y6 d9 o" n$ H: C0 L( n% c
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。' G2 w% t; Z& c
4 I1 t$ Y. K+ ^
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。9 \4 L2 i( r1 _9 ?6 V. u' L
& V  m2 F# U9 @& d& Q* C8 @
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。5 T9 W5 i( E- o: n: j6 D* @
' @5 F' V! ~- |5 R& t1 i& l' @
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。
. y: q2 p; D$ {7 ?
9 D* Z  u: L+ ]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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+ y+ ?& k3 z0 ^5 E) N( q【调通要点】
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* O2 C. s# F, f" H
- M8 a6 Z2 d0 @  Y2 [/ i; J
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。
% H2 ^4 |) p* n9 e- P3 g. P
7 ]2 Z5 `7 ?( W

- I2 u. j$ ~& 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%。
2 i0 K( B8 a( f# M5 W/ B9 ?) U- H* `  X& S; B% ]3 v, J
【最终结果】3 b' M  J7 G! v) O9 k

. J, \9 Z/ I2 o0 R" @* s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。  Z9 m+ G' F1 T" q  [) E, p# j

1 S3 O: ?; g0 {" U" m6 Z

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