【導(dǎo)讀】超規(guī)格過(guò)度指定 AC/DC 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)應(yīng)付瞬態(tài)峰值負(fù)載，就好像它們是一個(gè)連續(xù)狀態(tài)，不但會(huì)降低效率同時(shí)還可能導(dǎo)致電源供應(yīng)量超出必要范圍。通過(guò)了解應(yīng)用的平均、最壞情況和峰值負(fù)載等條件，才能選擇最適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案來(lái)確保以較低的成本提供可靠的電源電壓。我們的技術(shù)支持工程師或技術(shù)銷售團(tuán)隊(duì)可以為您的應(yīng)用提供最好的建議。
許多工程師傾向選擇「余量」充足的電源，例如一個(gè)應(yīng)用消耗 5W 的功率，那么會(huì)選擇 10W 的電源以應(yīng)付最壞的情況。這背后的理由是除了需要一定的安全系數(shù)才能獲得高可靠性，也要確保以后在應(yīng)用電路中添加功能時(shí)還有足夠的電源容量來(lái)應(yīng)對(duì)額外的負(fù)載。這些都是難以反駁的有力論點(diǎn)，但它并非總是電源應(yīng)用最有效的方法。
以 10W AC/DC 電源（例如 RAC10-12SK/277）的典型效率/負(fù)載圖為例：
圖 1：10W AC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率/負(fù)載圖
效率曲線圖顯示負(fù)載超過(guò) 20% 時(shí)維持平坦，表現(xiàn)很好。但到了 50% 負(fù)載 (5W) 時(shí)，效率根據(jù)電源電壓的不同在 77% 到 81% 之間變化（圖 1，橘線）。在 100% 負(fù)載下，無(wú)論何種輸入電壓效率都維持在 83% 不變（圖 1，藍(lán)線）。這種差異看起來(lái)可能并不明顯，但 77% 的效率就意味著 30% 的供應(yīng)能量被浪費(fèi)為熱量，而 83% 的效率代表只有 20% 被浪費(fèi)，大幅降低了耗散功率。 如果該電源替換成同等的 5W電源，例如 RAC05-12SK/277，那么效率將不受電源電壓影響保持在 83%（圖 2）。
圖 2. 5W AC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率/負(fù)載圖
另外，它不僅工作效率更高，5W電源的尺寸也只有10W的一半而且還更便宜：這是雙贏！
峰值功率與平均功率
您或許會(huì)問(wèn)，那峰值功率呢？在最壞的連續(xù)負(fù)載條件下，電源要如何應(yīng)對(duì)額外的短期峰值過(guò)載？
這里的關(guān)鍵詞是「最壞的情況」。在正常運(yùn)行期間負(fù)載通常會(huì)低于功率需求。如果轉(zhuǎn)換器在最壞的負(fù)載情況下連續(xù)工作，它仍然可以輕松處理這樣的功率水平，而實(shí)際上負(fù)載也不會(huì)那么高。這為轉(zhuǎn)換器提供了一些「熱余量」來(lái)處理高于連續(xù)工作負(fù)載的短期峰值過(guò)載。
例如，RAC05-SK/277 規(guī)格書(shū)提供了峰值負(fù)載能力的計(jì)算公式（圖 3）：
圖3. 峰值負(fù)載計(jì)算公式（源自規(guī)格書(shū)）
這里的一個(gè)重要的數(shù)值是 PP – 峰值輸出功率。RAC05-SK/277 的標(biāo)稱輸出功率為 5W，而實(shí)際上它可以在不觸發(fā)過(guò)載保護(hù)的情況下提供 6W。過(guò)載如果低于標(biāo)稱負(fù)載的 120%，轉(zhuǎn)換器內(nèi)的器件溫度是限制因子。如果轉(zhuǎn)換器有足夠的時(shí)間在過(guò)載之后冷卻，它就可以承受多次過(guò)載或循環(huán)過(guò)載，同時(shí)持續(xù)提供穩(wěn)定的輸出電壓。
如要應(yīng)付非常短暫且嚴(yán)重的過(guò)載，可以安裝一個(gè)外部輸出電容來(lái)提供所需的峰值電流并阻止轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)過(guò)載保護(hù)。這對(duì)無(wú)線連接微控制器等應(yīng)用來(lái)說(shuō)很實(shí)用，雖然傳輸突發(fā)期間的電流峰值發(fā)生的時(shí)間既短功率又高，但平均功耗要低得多（圖 4）。在這種情況下，電源可以針對(duì)提供平均功率而不是峰值功率來(lái)設(shè)計(jì)。
圖 4：支持 WLAN 微控制器的典型電流消耗曲線
到目前為止我們已經(jīng)探討了 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，但也可以用相同的方式分析 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它們之間的區(qū)別在于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是專為在 80-100% 的輸出功率范圍內(nèi)連續(xù)工作所設(shè)計(jì)的，它們的效率曲線在低負(fù)載時(shí)會(huì)下降得更快，因此低輸出電流并不代表低工作溫度。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該避免 5W 負(fù)載使用 10W DC/DC 轉(zhuǎn)換器，除非遇到除了降額以外沒(méi)有其他方法可以滿足所需的工作溫度范圍的情況。例如，RS12-Z 系列采用緊湊 SIP8 外殼 (21.8mm x 9.6mm) 提供出色的 12W 隔離功率。
RS12-Z 轉(zhuǎn)換器使用自然對(duì)流冷卻和標(biāo)稱 24V 電源可在高達(dá) 75°C 的溫度下全功率工作，而負(fù)載降額 50% 時(shí)工作溫度為 -40°C 至 +85°C。負(fù)載減半?yún)s只提供 +10°C 的環(huán)境溫度范圍，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器不再以最高效率工作。即使如此，僅采用自然對(duì)流冷卻就可在全工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作的 SIP8 封裝 6W 轉(zhuǎn)換器仍然大幅優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因?yàn)楹笳弑仨毲笾趶?qiáng)制空氣冷卻才能提供相同的輸出功率。
過(guò)流保護(hù)
許多低成本的 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都有非常基本的輸出過(guò)流保護(hù)電路來(lái)偵測(cè)內(nèi)部電流取樣電阻器的電壓降（圖 5）。
圖 5：基本的過(guò)流保護(hù)。電流取樣電阻器兩端的電壓超過(guò) 0.7V 時(shí)會(huì)導(dǎo)通NPN 晶體管并斷開(kāi)功率 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)。
這種保護(hù)電路雖然簡(jiǎn)單而且作為短路保護(hù)非常有效，但觸發(fā)點(diǎn)在很大程度上是由電流取樣電阻器的容差和 NPN 晶體管的 VBE 閾值電壓而定，造成過(guò)流限制的變化很大。因此要確定器件值以便在 100% 負(fù)載下過(guò)流保護(hù)不會(huì)在環(huán)境工作溫度范圍以上時(shí)誤觸發(fā)。這使轉(zhuǎn)換器在室溫下具有非常寬的過(guò)載容量 — 通常高達(dá)標(biāo)稱輸出功率的 140%。這種轉(zhuǎn)換器可以在連續(xù)滿載的情況下可靠工作，同時(shí)仍有很大的余量來(lái)應(yīng)付任何過(guò)載狀況。
這個(gè)概述有一個(gè)例外，DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常以較高的開(kāi)關(guān)頻率工作來(lái)縮小器件尺寸（降壓轉(zhuǎn)換器增加頻率會(huì)減少輸出電感和輸出電容），因此如果遇到突發(fā)峰值過(guò)載時(shí)會(huì)有較少的功率儲(chǔ)備。電流取樣電阻器通常與主控制器 IC 集成在一個(gè)芯片上，具有更嚴(yán)格的電阻值容差從而降低過(guò)流限制的變化。此外，大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器也使用精確的比較器輸出來(lái)監(jiān)測(cè)逐周期電流限制，而不是依賴不精確的 Vbe 結(jié)點(diǎn)閾值電壓，因此達(dá)到過(guò)流或短路保護(hù)的極限時(shí)它們會(huì)立即關(guān)閉。由此可見(jiàn)，應(yīng)該考慮 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在最壞情況下的峰值負(fù)載條件而非平均負(fù)載。
結(jié)論
超規(guī)格過(guò)度指定 AC/DC 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)應(yīng)付瞬態(tài)峰值負(fù)載，就好像它們是一個(gè)連續(xù)狀態(tài)，不但會(huì)降低效率同時(shí)還可能導(dǎo)致電源供應(yīng)量超出必要范圍。通過(guò)了解應(yīng)用的平均、最壞情況和峰值負(fù)載等條件，才能選擇最適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案來(lái)確保以較低的成本提供可靠的電源電壓。我們的技術(shù)支持工程師或技術(shù)銷售團(tuán)隊(duì)可以為您的應(yīng)用提供最好的建議。
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