能够提高峰值功率的电源

2020年4月21日 作者:Aaron Yarnell

能够提高峰值功率的电源

电子设备电源的一个常见表征参数就是供应到负载的最大功率。大多数设计人员都会选择标称负载为电源最大额定功率60%至80%的电源。也可以理解为电源的最大容量比标称负载多25%至67%。工程师做出这一设计决策,就是要在不超出电源规定性能范围的情况下,允许系统在峰值负载条件下运行。但是,有些类别的电源负载不适合这种运行模式:

  • 原本以极低的功率水平运行,却出现周期性高功率的负载。
  • 启动时具有较大功率要求,而之后运行时会降低功率水平的负载。

设计工程师经常问供应商:“有没有峰值功率水平较高,能够承受高瞬态负载的电源?”带有Power Boost功能的CUI电源可以满足这一需求。这些产品的输出功率规格与传统电源相似,却能够支持相当于最大额定功率两倍的峰值功率水平(持续时间长达十秒钟,最大占空比为10%) 。这就使客户可以根据标称功率水平而非峰值功率要求来选择电源。

作出这一选择后,设计人员就可以使用具有较低最大额定功率的电源,并有可能降低系统成本。在这篇博文中,我们将讨论恒压电源,因此输出电流的概念可以与输出功率的概念互换使用(输出电流与输出功率成比例)。

图示峰值负载为额定负载的200%且波峰因数为3.2时的波形
图1:峰值负载为额定负载的200%且波峰因数为3.2(200%/62%)的波形

传统电源设计中的电流限制

大多数电源设计都带有输出过电流检测和保护功能。内部过电流检测电路设计可在几毫秒内做出反应,以保护电源在负载电流过大时免受损坏。尽管在负载电流大于规定的最大工作电流时,电源可能不符合数据手册的操作规范,但仍必须对电源进行相应的设计,以免电源因在过电流事故期间运行而发生损坏。如果设置的过电流限值接近最大工作电流,那么不激活过电流保护,电源就不能以更大的输出电流(和内部功耗)继续运行。设置的过电流阈值一般都会尽可能接近最大额定输出电流(通常为最大输出电流的110%),以实现经济实惠的电源。

运行时的额定输出电流约为最大指定负载电流的62%,并将过流保护阈值设置为最大指定负载电流的110%,这种电源理念很适合峰值负载与平均负载(波峰因数)之比约为1.8或更小值(110%/62%)的情况。对于波峰因数大于1.8的负载(更大的峰值负载),由于只需以远小于最大负载水平的标称负载运行电源,所以电源成本相对于平均消耗的功率而言,就显得不合理了。如果系统负载的波峰因数大于1.8,考虑到成本和尺寸的原因,设计过电流容限较高的电源比较有利。

高波峰因数负载示例

有许多种电源负载都会在短时间内消耗大量功率,然后进入低功耗模式,因此波峰因数可能为3:1或更大。具有此类特征的产品和应用的一些示例包括:

  • 热敏打印机,其中的加热元件刚开始会超负荷驱动,以便尽快达到合适的工作温度。
  • 电动马达,在启动时由于缺少反电动势而导致电流消耗较高。
  • 大型滤波电容器组,刚开始充电时会消耗大量电流。
  • 测试模块,可能会执行定期和短期测试,测试活动期间的功耗较高,而在不测试时功耗较低。

图示高波峰因数负载应用示例
图2:高波峰因数负载应用示例

高波峰因数电源供电所需的关键电源组件

为了提供经济高效的设计来支持具有高功率波峰因数的负载,必须了解电源的几个方面。对于大多数AC-DC电源而言,输入电流首先流经保险丝和EMI滤波器,然后流经桥式整流器。在桥式整流器中,输入电流为大容量电容器充电(图3)。大容量电容器可确保为其他电源馈送的整流电压保持高于最低水平,以使电源电路正常运行。这种电容器必须具有足够大的尺寸,从而能够以最小指定输入电压支持最大指定负载电流。CUI Power Boost电源为用户提供大容量电容器的连接节点,以便在应用需要时可以再行添加大容量电容器。

图示大容量电容器的电源输入段
图3:大容量电容器的电源输入段

在AC-DC电源中满足Power Boost应用特定要求的第二个组件是隔离变压器或耦合电感器(图4)。这种磁性元件需要被设计为在传输峰值负载电流时不会饱和。其他问题是,这种元件的散热能力必须足够强,才能满足较高的峰值负载要求。

图示隔离变压器或耦合电感器
图4:隔离变压器或耦合电感器

一次侧开关是Power Boost电源需要选择的第三个元件,它具有在大峰值负载电流期间保持正确运行的特征(图5)。对于这种开关,主要考虑的是持续出现峰值负载电流期间的功耗能力。可能解决这个问题的办法是增加开关封装的热质量,以吸收峰值负载期间产生的过多热量。热质量可作为封装的固有特性,或作为连接到开关封装的外接散热器来实现。

图示一次侧开关
图5:一次侧开关

结论

尽管大多数电子设备电源负载的峰值功率要求都较为合理,接近标称功率水平,但仍有许多应用要求峰值功率水平必须远高于标称功率水平。对于那些负载峰值大、持续时间短且占空比低的应用,CUI的Power Boost型号是一套很好的解决方案。此类电源能够通过比传统电源更小、更轻、成本更低的解决方案提供所需的峰值功率。

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Aaron Yarnell

Aaron Yarnell

高级产品经理

Aaron Yarnell拥有近 15 年的电子行业从业经验,其工作涉及范围广泛的产品技术,负责范围从产品设计和开发到现场应用支持、制造、技术写作等。经过 MBA 学习后,Aaron 对于其职责相关的业务领域有了更深入的了解。除了在专业方面的荣誉外,Aaron 还前往俄勒冈海岸,与家人、朋友度过美好时光,追逐梦想,合作完成有趣的项目。

 
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