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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 $ L' J# S: Y% y6 X
$ k% I5 X6 x0 x9 f/ F2 z
作者:屈工有话说' [8 }0 W, s" u
0 L8 {! Z9 h4 {  o6 V
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。+ h& N3 e% ?0 Y

1 c, n9 F6 |8 \8 c) \1 n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 P! J6 ^$ e( {
. p1 E  j1 T- K# ]% S8 M0 V以下为测试样机图片:$ X7 f: D# h/ R# t4 s
8 J# k0 s8 M& F' q1 A
6 f* _. k) @! `6 a0 ]1 M5 b( `
CR6249样机图片

* d) q5 A# |" `1 D. X4 s【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
$ k4 n2 d3 x! T" w# M【规格】12V1.5A
. ^: g* D& T% h% k【控制IC】CR6249
/ o- @! H6 W  A6 `
0 X7 Q4 ]/ z' p, [+ MCR6249:高精度CC/CV原边检测PWM开关
: @6 q' c1 t7 V# a. o5 y$ C) x" X7 i. r
8 k: _, v0 _: {产品概述

* G( S* F$ }' S2 r5 J, q; k4 e! Y- j
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。
8 J5 ~* u* x4 Z- n5 J% _0 ]
( R7 x+ e7 j) q( j6 F2 PCR6249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。
* K1 \; o- w# Q3 h+ v. M+ T. K: e
主要特点
; z3 w2 z$ Y9 n  N) E& P% V. S% X/ ]- [
● 待机功耗低于75mW
9 q, g& W/ z  E+ _  b. _5 R● 原边检测拓扑结构,无需光耦和TL431
( a& e+ p5 q8 ~3 f) ~+ \● 全电压范围内高精度恒压和恒流输出# v* h) [2 i% p8 Z) l
● 可编程CC/CV模式控制: L; n8 j8 d7 |# A5 M5 ]( M1 ~- w
● 采用多模式控制的效率均衡技术
! c* a) m. u2 N* R) H● 高能效QR控制模式: R' ^8 l5 J. K
● 内置输出线电压补偿功能. s" I( p7 ]# X! U$ n8 W
● 内置初级电感量偏差补偿功能
- G, `3 N- _/ ?8 S9 \● 内置全电压功率自适应补偿功能
1 w0 C: p0 Q* ]; u  b( t& D● 动态负载响应功能4 ?" L: b1 p$ t  _" M
● 内置过温度保护功能
6 S2 R8 ?; W8 p+ `● 内置输出短路保护功能
! a% F# `& N5 v: r6 U6 j● 内置前沿消隐( b% q8 k5 w+ F8 |
● 启动电流和工作电流低8 _8 w2 e  b. L# M* h5 ~' I
● VDD端过压保护和钳位保护2 T! a" \6 I( }3 j
● 逐周期过流保护
+ h& ~8 `6 t& u2 ]& n●  内置输出整流二极管短路保护
; b- |" @; l) P/ Q: K1 }7 T● 内置输出过压保护功能
( K4 o" _& [' O0 I● 内置所有PIN脚悬空保护功能* R' i8 P' D# F" |
● DIP-8L绿色封装" K9 H# M  u7 x% l

9 A6 _4 b7 S6 F& g! ^: f7 ]- q基本应用
$ v, @" U- X2 A3 z& A  q2 j
" L1 ^0 g& ?1 U0 |3 D; f● 小功率电源适配器
) ?" ?; X  i) P" l% X! e: B● 蜂窝电话充电器
  @, i8 y7 V: y2 o● 数码电源充电器1 s! c. e  [5 R) M
● 电脑和服务器辅助电源
( b- X/ D6 H7 A( }7 j● 替代线性调整器和RCC
6 z- _! s# O: F; H
$ P0 c- {3 k) D4 c) k- f# W典型应用/ b. V% x' J6 L* u( z0 i

$ b/ |: P/ F& a' {
引脚分布
- R, _% p, H. b0 K' [4 ^5 D, }

3 g5 u+ z; g$ b  i& g$ _6 _5 B, ^引脚描述& u2 b# i& k1 d: g+ |, e6 _

# r- F$ Z. p6 q6 O$ m/ I
& B4 w- B3 b& |0 x6 S3 h5 s6 L+ m
【问题描述】
: P& J8 o: g4 t2 ^$ s& ?3 P7 ^9 w2 w$ O- Q* I  N! M
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。
$ r$ f4 N; H) K$ ]) _# f: v5 `: P* t) D: Z$ M+ K2 U/ D5 X* r

; g9 |! a3 N; {; h  b【解决思路】
# y& w$ r7 v& b8 k; H
- b# U" u7 J! W, J( c2 q/ b1、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。0 Y* Z, |0 d* ]$ q- w1 g+ w
7 r3 }) X9 H* o, n' h. z
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。
  t  R1 n- b( s5 F# [- G! W0 O  Y# `. X& C
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。
3 l' J4 k- Y# k; H& y& H$ k5 t0 G% x7 ^5 k
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。3 I- \% Z. n) m$ p
: |. X" f' C( d, P) [" q
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。+ p& V9 @& y" ]( o1 F/ M% T8 `) i

% U8 N+ B8 @6 P6、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。
- m; a$ }$ P# ]. L$ `. E3 V
3 {+ _# K2 L/ `( z& W【调通要点】) u1 s- ~  d# n* k

4 r/ W7 O0 t$ H6 [, ]* k& ^

5 h1 y" s( C9 O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。1 P* L0 q+ k* H# i5 J

2 s7 W' q& `% x  n

' L. {; G- }( H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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: E/ n* M2 y( [* R* ^" F【最终结果】. `) j# q" g; b* b( `
( x8 U* q) \' p6 U4 d. @: [# U
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。
* T) j( u& `- m8 |" L1 v: s& A, E7 R' @
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