实现高效HVAC的电源转换器解决方案

   在制热和空调系统的设计过程中，高效热交换技术与高级电子控制技术相结合进一步提高了系统的能效额定值。高效而可靠的电源是提高电机效率和系统性能可靠性的基本保障。

    随着国际市场的原油价格逼近每桶100美元，进一步挖掘系统能效的需求比以往更加迫切。在工业和家电领域则尤其需要提高局部加热或内加热应用的能效。

    一个应用实例

    冷凝式锅炉就是一个制热技术的应用实例，它利用基本的热力学原理，能够实现较高的能量效率。利用现代电子技术能够获得的性能提升接近理论上可获得的最大值。高效的冷凝式锅炉采用大型的热交换器从废气中吸取最大限度的能量。它产生具有较低温度的废气，热耗散很低，能够减少燃料的消耗量。通常情况下，它能够将所用燃料的88%以上转化为有用的热能，而一般的传统锅炉只能转化78%。回收烟道中的热量可以降低废气的温度，在燃烧过程中产生的水蒸汽就会冷凝出来，因此称之为“冷凝式锅炉”。冷凝的过程非常关键，因为当水从蒸气状态变成液态时，它会释放出潜在的汽化热量，这种能量比单纯的冷却蒸汽所转换的热量更重要。当温度降低时，废气就会丧失原来浮力，因此必须在烟道内安装一个风扇，保持废气的流动性。我们要控制风扇的转速，以实现最高的效率。因此，这里需要一种能够在高温环境下可靠工作的高效电源对风扇、系统定时器和控制电路进行供电。

    一种高性价比的设计方案

    在空调设备和一些白色家电，例如洗碗机和洗衣机中，同样存在着类似的能量转换过程，尤其是带有集成式冷凝干燥器的设备。

    本文所介绍的这种SMPS（switch-mode power supply，开关式电源）在没有外部散热器的情况下，在65℃的环境温度中能够提供20V 50W的恒定功率，最大负载可达70W。它的峰值负载性能有力支持了电机启动所需的高电流，支持连续负载，有利于减小整个应用系统的尺寸、成本和重量。

    市面上有很多集成式开关/控制器元件。本文在这里要介绍的这个设计实例是基于Power Integrations公司的TOPSwitch-HX控制器IC构建的。这款控制器在一块集成电路器件内集成了700V的功率MOSFET、高压开关电流源、多模PWM控制器、晶振、热击穿电路、故障保护电路和其他一些控制电路（如图1所示）。

    图1 一个典型的TOPSwitch-HX回扫应用系统，在其开关/控制器内部集成了大部分所需的元件

    该器件能够根据负载情况在四种不同的工作模式之间进行无缝切换。这使得开关电源在极宽的功率带上都能够恒定地高效工作，在待机模式下对于仅1W的输入功率仍可以提供600mW以上的输出功率。凭借这些特性，该电源能够满足各种已有的和未来的能量守恒标准。

    其他设计特性

    该开关/控制器在线路欠压、过压以及输出过载情况下，还具有强大的用户自定义保护功能。用户可以在锁存或自恢复模式、热击穿和自动重启情况下配置它的输出过压保护功能。通过对关键参数的精细控制，它大大降低了最大的过载功率，从而支持一些低成本的功率元件（例如MOSFET、变压器和输出整流器）。通过改进制造工艺，该器件实现了塑料DIP封装，MOSFET的导通电阻只有1.8Ω，优于前一代产品最小3Ω的导通电阻。结合66kHz的较低开关频率，它使得很多应用都不再需要外部散热器。

    这些开关特性也十分有利于白色家电类的应用。它的双列直插式封装在高压针脚之间实现了>3.2mm的漏电/间隙，在高湿度和污染环境下能够有效防止产生表面漏电流。其热击穿是能够自动恢复的，具有较宽的滞后效应，能够在各种故障情况下保持安全的PCB温度。自动重启功能能够在输出短路和反馈环开路的情况下起到保护作用。这些经过改进的安全特性在故障情况下完全能够保护电源和负载，能够防止过热甚至火灾的发生，这对于经常在夜间运行无人值守的设备而言是至关重要的。

    详细设计

                                     图2给出了完整的开关电源电路

    该设计符合ENN55022和CISPR-22 Class B电源EMI限制，并具有较大的余量。差接EMI滤波功能是由X电容C1实现的，而共模EMI滤波功能是由共模扼流圈L1和安全额定Y电容C8实现的。金属薄膜式电容C4在位置上靠近开关电路，用于解耦和直流总线的高频噪声，改善差接EMI。

    图2基于开关/控制器IC设计的连续负载50W、峰值负载70W的开关电源，实现了高效而可靠的电路 
D2、R17和C34构成了一个RCD钳位器，能够防止漏极电压尖脉冲损坏U4中的集成MOSFET。齐纳二极管VR1用于确保最大的钳位电压，在正常工作情况下不会导通。由D13整流并由C13滤波的变压器T1上的偏置线圈对开关供电，并提供光耦合器U2所需的控制电流。

    U2构成了输出反馈回路，它的偏置点通过TL431并联调节器U3来设置，R10和C36对反馈网络提供了补偿。R27和C35形成的网络用于提高相位容限，当光耦合器U2A不导通时，R9为并联调节器U3提供偏置电流。R26决定了整个环路增益，并且限制了U2A上的瞬态电流。

    重要的转换功能为高效能应用提供了有力的支持。这款开关电源能够在185～265VAC的宽输入电压范围内工作。这一设计的关键特性在于它在整个输入电压范围内都能够保持极高的效率（如图3所示）。

                                  图3 各种线电压下效率与负载的关系

    如前所述，该电源在极宽的功率带上都能够保持很高的工作效率，包括在待机模式下为1W的输入功率提供超过600mW的输出功率。