【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計工程師需要敏銳地知道他們?nèi)绾位趯嶋H的系統(tǒng)要求來定義、選擇并設(shè)計所需的離線式電源，在最大程度上節(jié)省成本。數(shù)控電路在峰值功率控制方面具有快速、簡單的特點，是安全和可靠方案。本文就為大家分享交直流轉(zhuǎn)換電源到底是針對峰值功率還是平均功率設(shè)計好？
每一代新的電子設(shè)備都力求降低平均功耗，理由很簡單：不管是有線還是無線，我們總是全力降低功耗。降低平均功耗一直以來都是追求的目標(biāo)，尤其是目前，各種全球性監(jiān)管機(jī)構(gòu)施加壓力，要求電子設(shè)備都具有高能效。但是一些產(chǎn)品使用電機(jī)、硬盤驅(qū)動器和其他大電容、大電感的元件會產(chǎn)生很高的峰值負(fù)載電流。因此，即使是平均功耗能夠降低，峰值功率水平還是很高。
包括游戲機(jī)和打印機(jī)在內(nèi)的各種消費性電子產(chǎn)品通常采用現(xiàn)成的電源以滿足其最大功率要求。但是，這些現(xiàn)成的電源必須提供應(yīng)用所需的最大功率。由于這些電子產(chǎn)品的負(fù)荷曲線通常包括較低的平均功耗和偶爾產(chǎn)生的較大的瞬時峰值，因此在這些應(yīng)用中采用這類電源往往是大材小用。對于選擇電源的工程師出現(xiàn)了一個獨特的問題：電源的大小是否應(yīng)該設(shè)計到能夠連續(xù)輸出最大瞬時所需的功率，還是設(shè)計到平均所需的功率，然后通過有源或無源的方案來應(yīng)對峰值輸出?在離線式交直流轉(zhuǎn)換電源電路中，外部組件的尺寸主導(dǎo)了這場辯論，潛在的解決方案將決定電源的成本和尺寸，從而進(jìn)一步對整個最終產(chǎn)品產(chǎn)生重要影響。
電源設(shè)計者努力在離線式電源的成本和性能之間尋求平衡，也需要考慮電源實際所使用的環(huán)境。對于需要高峰值電流的應(yīng)用而言，這種考慮更加重要。短時間內(nèi)出現(xiàn)高出平均電流 50-60% 的電流峰值這一情況并不少見。針對需要 60W 瞬時功率而平均為40W輸出的應(yīng)用，60W 的大型電源具有卓越的性能，因為能連續(xù)應(yīng)對峰值功率。但是，60W 的設(shè)計在電氣和散熱方面要滿足 60W輸出功率的尺寸要求。
從電氣角度來看，為較低的平均連續(xù)電流而設(shè)計的電源能夠節(jié)約成本和空間，這是因為磁性元件和功率器件都可以用體積小成本低的元件。
從散熱角度來看，為連續(xù)輸出60W設(shè)計所需的功率器件要滿足更高的連續(xù)功率損耗要求，因此散熱器的尺寸和成本更高。圖 1 顯示了兩個不同散熱器的并排圖像，其中一個是主功率器件在 60W 連續(xù)供電的情況下所需的散熱器，較小的一個是 40W 連續(xù)供電下使用的散熱器。尺寸(和成本)差異非常明顯。
次級側(cè)整流器件在電氣和散熱方面與初級側(cè)功率器件的情況相同。與初級側(cè)功率器件相似，較高的功率設(shè)計會給次級側(cè)整流器件增加元件和成本。
圖 1. 主功率器件在 60W 連續(xù)供電下的散熱器(左)與 40W 連續(xù)供電下使用的較小散熱器(右)之間的尺寸對比。
很明顯，設(shè)計到最大峰值功率的電源能夠運行良好，但成本較高。一種替代方案是基于較低平均功率的設(shè)計采用無源蓄能，但是需要大量輸出電容以確保滿足峰值功率的要求，而且在占空比較高的重復(fù)脈沖下這種方案不能良好運行。理想的選擇是設(shè)計出能夠輕松供給平均功率而又能滿足峰值功率要求的電源，在電氣和散熱方面不做超裕量設(shè)計。
如果把電源按照平均功率設(shè)計但允許超出額定最大電流的 50% 的峰值電流通過，則電源會比較小。適合較低平均功率的磁性元件是可以應(yīng)對峰值功率的，雖然在峰值期間的效率稍微低些，但是不會顯著影響總體效率，反而較小尺寸的變壓器會減小整體尺寸和降低成本。同樣地，主功率器件也可針對較低的平均電流來設(shè)計，從而優(yōu)化整體設(shè)計的尺寸和成本。
提供峰值功率有一種簡單明了的方法，即增加電源控制器上的輸出電流限制點達(dá)到超出峰值功率所需的水平。電源能在需要的情況下提供額外的電流。但是，這種方法同樣需要散熱方面的考量，因為在故障的情況下，比如連續(xù)超電流狀態(tài)下發(fā)生持續(xù)輸出的故障，則電源可能會過熱并產(chǎn)生安全問題。這樣散熱管理問題與連續(xù)峰值功率的設(shè)計會一樣甚至可能更棘手，所以需要找出一個不同的方法，既能夠提供峰值電流，也不影響總體電源的安全性和可靠性。
如果電源能在有限的時間范圍內(nèi)提供峰值電流，那么電氣和散熱設(shè)計可以接近針對平均功率而設(shè)計的方案，在提供額外電流的情況下將成本和尺寸保持到最低。數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)的時序解決方案能輕松地實現(xiàn)峰值功率的應(yīng)用。一種雙重電流限制的方法(由主限流點設(shè)定平均電流，次限流點設(shè)定峰值功率模式下的更高電流)允許通過瞬時峰值電流，同時將熱損失降到最低，從而減少輸出電容的需求，并確保外部元件達(dá)到基于平均功率設(shè)計所需的尺寸。
等效模擬計時電路可提供類似的計時功能，但是靈活性不高，因為模擬計時方法的時間常數(shù)(RC 時間常數(shù))限制了重復(fù)脈沖的頻率和占空比。內(nèi)部計時電路沒有足夠的時間在重復(fù)脈沖之間放電，有可能導(dǎo)致計時故障。
iW1770是具有峰值功率控制的數(shù)字電源控制器。iW1770 采用數(shù)字控制回路，其電流限制電路能夠在 40ms 時間內(nèi)，提供高達(dá)60%的額外輸出電流，然后再把輸出電流降至平均功率的安全水平。用戶可以配置最大電流，不會影響正常的過電流故障保護(hù)。在完全短路或輸出過電流發(fā)生軟短路故障時，電流輸出將會被切斷并進(jìn)入智能低功耗模式，或稱為智能間斷式輸出技術(shù)(稱為SmartDefender™)，處理電纜和連接器中的軟短路現(xiàn)象，防止在故障情況下出現(xiàn)過熱和損壞。iW1770大大簡化了電源設(shè)計應(yīng)用，設(shè)計者可以采用遠(yuǎn)低于針對峰值功率連續(xù)工作而設(shè)計的散熱器，還能夠使用符合平均輸出功率而非峰值功率的元器件，從而節(jié)省成本和空間。
圖 2 顯示的是，iW1770 在 12V、2A 的平均輸出電流應(yīng)用中在所允許的 40ms 時間內(nèi)從最大的平均電流 2A 轉(zhuǎn)變至超過平均電流 60% 的峰值電流時的波形，輸出情況穩(wěn)定，并提供負(fù)荷在峰值功率時間內(nèi)所需的電流，直到峰值負(fù)荷減弱并回到正常的平均電流。
圖 2. iW1770 在 12V、2A 平均輸出電流應(yīng)用中的輸出情況
