【導讀】超規格過(guò)度指定 AC/DC 或 DC/DC 轉換器來(lái)應付瞬態(tài)峰值負載，就好像它們是一個(gè)連續狀態(tài)，不但會(huì )降低效率同時(shí)還可能導致電源供應量超出必要范圍。通過(guò)了解應用的平均、最壞情況和峰值負載等條件，才能選擇最適當的解決方案來(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(xiāo)售團隊可以為您的應用提供最好的建議。
許多工程師傾向選擇「余量」充足的電源，例如一個(gè)應用消耗 5W 的功率，那么會(huì )選擇 10W 的電源以應付最壞的情況。這背后的理由是除了需要一定的安全系數才能獲得高可靠性，也要確保以后在應用電路中添加功能時(shí)還有足夠的電源容量來(lái)應對額外的負載。這些都是難以反駁的有力論點(diǎn)，但它并非總是電源應用最有效的方法。
以 10W AC/DC 電源（例如 RAC10-12SK/277）的典型效率/負載圖為例：
圖 1：10W AC/DC 轉換器的效率/負載圖
效率曲線(xiàn)圖顯示負載超過(guò) 20% 時(shí)維持平坦，表現很好。但到了 50% 負載 (5W) 時(shí)，效率根據電源電壓的不同在 77% 到 81% 之間變化（圖 1，橘線(xiàn)）。在 100% 負載下，無(wú)論何種輸入電壓效率都維持在 83% 不變（圖 1，藍線(xiàn)）。這種差異看起來(lái)可能并不明顯，但 77% 的效率就意味著(zhù) 30% 的供應能量被浪費為熱量，而 83% 的效率代表只有 20% 被浪費，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 轉換器的效率/負載圖
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(yíng)！
峰值功率與平均功率
您或許會(huì )問(wèn)，那峰值功率呢？在最壞的連續負載條件下，電源要如何應對額外的短期峰值過(guò)載？
這里的關(guān)鍵詞是「最壞的情況」。在正常運行期間負載通常會(huì )低于功率需求。如果轉換器在最壞的負載情況下連續工作，它仍然可以輕松處理這樣的功率水平，而實(shí)際上負載也不會(huì )那么高。這為轉換器提供了一些「熱余量」來(lái)處理高于連續工作負載的短期峰值過(guò)載。
例如，RAC05-SK/277 規格書(shū)提供了峰值負載能力的計算公式（圖 3）：
圖3. 峰值負載計算公式（源自規格書(shū)）
這里的一個(gè)重要的數值是 PP – 峰值輸出功率。RAC05-SK/277 的標稱(chēng)輸出功率為 5W，而實(shí)際上它可以在不觸發(fā)過(guò)載保護的情況下提供 6W。過(guò)載如果低于標稱(chēng)負載的 120%，轉換器內的器件溫度是限制因子。如果轉換器有足夠的時(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)持續提供穩定的輸出電壓。
如要應付非常短暫且嚴重的過(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換器啟動(dòng)過(guò)載保護。這對無(wú)線(xiàn)連接微控制器等應用來(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，電源可以針對提供平均功率而不是峰值功率來(lái)設計。
圖 4：支持 WLAN 微控制器的典型電流消耗曲線(xiàn)
到目前為止我們已經(jīng)探討了 AC/DC 轉換器，但也可以用相同的方式分析 DC/DC 轉換器。它們之間的區別在于 DC/DC 轉換器是專(zhuān)為在 80-100% 的輸出功率范圍內連續工作所設計的，它們的效率曲線(xiàn)在低負載時(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)，應該避免 5W 負載使用 10W DC/DC 轉換器，除非遇到除了降額以外沒(méi)有其他方法可以滿(mǎn)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 轉換器使用自然對流冷卻和標稱(chēng) 24V 電源可在高達 75°C 的溫度下全功率工作，而負載降額 50% 時(shí)工作溫度為 -40°C 至 +85°C。負載減半卻只提供 +10°C 的環(huán)境溫度范圍，這是因為轉換器不再以最高效率工作。即使如此，僅采用自然對流冷卻就可在全工業(yè)溫度范圍內工作的 SIP8 封裝 6W 轉換器仍然大幅優(yōu)于競爭對手，因為后者必須求助于強制空氣冷卻才能提供相同的輸出功率。
過(guò)流保護
許多低成本的 AC/DC 和 DC/DC 轉換器都有非?；镜妮敵鲞^(guò)流保護電路來(lái)偵測內部電流取樣電阻器的電壓降（圖 5）。
圖 5：基本的過(guò)流保護。電流取樣電阻器兩端的電壓超過(guò) 0.7V 時(shí)會(huì )導通NPN 晶體管并斷開(kāi)功率 FET 的柵極驅動(dòng)。
這種保護電路雖然簡(jiǎn)單而且作為短路保護非常有效，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% 負載下過(guò)流保護不會(huì )在環(huán)境工作溫度范圍以上時(shí)誤觸發(fā)。這使轉換器在室溫下具有非常寬的過(guò)載容量 — 通常高達標稱(chēng)輸出功率的 140%。這種轉換器可以在連續滿(mǎn)載的情況下可靠工作，同時(shí)仍有很大的余量來(lái)應付任何過(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，具有更嚴格的電阻值容差從而降低過(guò)流限制的變化。此外，大多數開(kāi)關(guān)穩壓器控制器也使用精確的比較器輸出來(lái)監測逐周期電流限制，而不是依賴(lài)不精確的 Vbe 結點(diǎn)閾值電壓，因此達到過(guò)流或短路保護的極限時(shí)它們會(huì )立即關(guān)閉。由此可見(jiàn)，應該考慮 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器在最壞情況下的峰值負載條件而非平均負載。
結論
超規格過(guò)度指定 AC/DC 或 DC/DC 轉換器來(lái)應付瞬態(tài)峰值負載，就好像它們是一個(gè)連續狀態(tài)，不但會(huì )降低效率同時(shí)還可能導致電源供應量超出必要范圍。通過(guò)了解應用的平均、最壞情況和峰值負載等條件，才能選擇最適當的解決方案來(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(xiāo)售團隊可以為您的應用提供最好的建議。
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