實現高效HVAC的電源轉換器解決方案

    在制熱和空調系統的設計過程中，高效熱交換技術與高級電子控制技術相結合進一步提高了系統的能效額定值。高效而可靠的電源是提高電機效率和系統性能可靠性的基本保障。

    隨著國際市場的原油價格逼近每桶100美元，進一步挖掘系統能效的需求比以往更加迫切。在工業和家電領域則尤其需要提高局部加熱或內加熱應用的能效。

    一個應用實例

    冷凝式鍋爐就是一個制熱技術的應用實例，它利用基本的熱力學原理，能夠實現較高的能量效率。利用現代電子技術能夠獲得的性能提升接近理論上可獲得的最大值。高效的冷凝式鍋爐采用大型的熱交換器從廢氣中吸取最大限度的能量。它產生具有較低溫度的廢氣，熱耗散很低，能夠減少燃料的消耗量。通常情況下，它能夠將所用燃料的88%以上轉化為有用的熱能，而一般的傳統鍋爐只能轉化78%。回收煙道中的熱量可以降低廢氣的溫度，在燃燒過程中產生的水蒸汽就會冷凝出來，因此稱之為“冷凝式鍋爐”。冷凝的過程非常關鍵，因為當水從蒸氣狀態變成液態時，它會釋放出潛在的汽化熱量，這種能量比單純的冷卻蒸汽所轉換的熱量更重要。當溫度降低時，廢氣就會喪失原來浮力，因此必須在煙道內安裝一個風扇，保持廢氣的流動性。我們要控制風扇的轉速，以實現最高的效率。因此，這里需要一種能夠在高溫環境下可靠工作的高效電源對風扇、系統定時器和控制電路進行供電。

    一種高性價比的設計方案

    在空調設備和一些白色家電，例如洗碗機和洗衣機中，同樣存在著類似的能量轉換過程，尤其是帶有集成式冷凝干燥器的設備。

    本文所介紹的這種SMPS（switch-mode power supply，開關式電源）在沒有外部散熱器的情況下，在65℃的環境溫度中能夠提供20V 50W的恒定功率，最大負載可達70W。它的峰值負載性能有力支持了電機啟動所需的高電流，支持連續負載，有利于減小整個應用系統的尺寸、成本和重量。

    市面上有很多集成式開關/控制器元件。本文在這里要介紹的這個設計實例是基于Power Integrations公司的TOPSwitch-HX控制器IC構建的。這款控制器在一塊集成電路器件內集成了700V的功率MOSFET、高壓開關電流源、多模PWM控制器、晶振、熱擊穿電路、故障保護電路和其他一些控制電路（如圖1所示）。

    圖1 一個典型的TOPSwitch-HX回掃應用系統，在其開關/控制器內部集成了大部分所需的元件

    該器件能夠根據負載情況在四種不同的工作模式之間進行無縫切換。這使得開關電源在極寬的功率帶上都能夠恒定地高效工作，在待機模式下對于僅1W的輸入功率仍可以提供600mW以上的輸出功率。憑借這些特性，該電源能夠滿足各種已有的和未來的能量守恒標準。

    其他設計特性

    該開關/控制器在線路欠壓、過壓以及輸出過載情況下，還具有強大的用戶自定義保護功能。用戶可以在鎖存或自恢復模式、熱擊穿和自動重啟情況下配置它的輸出過壓保護功能。通過對關鍵參數的精細控制，它大大降低了最大的過載功率，從而支持一些低成本的功率元件（例如MOSFET、變壓器和輸出整流器）。通過改進制造工藝，該器件實現了塑料DIP封裝，MOSFET的導通電阻只有1.8Ω，優于前一代產品最小3Ω的導通電阻。結合66kHz的較低開關頻率，它使得很多應用都不再需要外部散熱器。

    這些開關特性也十分有利于白色家電類的應用。它的雙列直插式封裝在高壓針腳之間實現了>3.2mm的漏電/間隙，在高濕度和污染環境下能夠有效防止產生表面漏電流。其熱擊穿是能夠自動恢復的，具有較寬的滯后效應，能夠在各種故障情況下保持安全的PCB溫度。自動重啟功能能夠在輸出短路和反饋環開路的情況下起到保護作用。這些經過改進的安全特性在故障情況下完全能夠保護電源和負載，能夠防止過熱甚至火災的發生，這對于經常在夜間運行無人值守的設備而言是至關重要的。

    詳細設計

                                     圖2給出了完整的開關電源電路

    該設計符合ENN55022和CISPR-22 Class B電源EMI限制，并具有較大的余量。差接EMI濾波功能是由X電容C1實現的，而共模EMI濾波功能是由共模扼流圈L1和安全額定Y電容C8實現的。金屬薄膜式電容C4在位置上靠近開關電路，用于解耦和直流總線的高頻噪聲，改善差接EMI。

    圖2基于開關/控制器IC設計的連續負載50W、峰值負載70W的開關電源，實現了高效而可靠的電路
D2、R17和C34構成了一個RCD鉗位器，能夠防止漏極電壓尖脈沖損壞U4中的集成MOSFET。齊納二極管VR1用于確保最大的鉗位電壓，在正常工作情況下不會導通。由D13整流并由C13濾波的變壓器T1上的偏置線圈對開關供電，并提供光耦合器U2所需的控制電流。

    U2構成了輸出反饋回路，它的偏置點通過TL431并聯調節器U3來設置，R10和C36對反饋網絡提供了補償。R27和C35形成的網絡用于提高相位容限，當光耦合器U2A不導通時，R9為并聯調節器U3提供偏置電流。R26決定了整個環路增益，并且限制了U2A上的瞬態電流。

    重要的轉換功能為高效能應用提供了有力的支持。這款開關電源能夠在185～265VAC的寬輸入電壓范圍內工作。這一設計的關鍵特性在于它在整個輸入電壓范圍內都能夠保持極高的效率（如圖3所示）。

                                  圖3 各種線電壓下效率與負載的關系

    如前所述，該電源在極寬的功率帶上都能夠保持很高的工作效率，包括在待機模式下為1W的輸入功率提供超過600mW的輸出功率。