峰值功率与平均功率——如何选择合适的转换器
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许多工程师更喜欢选择具有充足“余量”的电源——在最坏的情况下，如果应用消耗 5W 的功率，那么将选择 10W 的电源。这背后的基本原理是，除了确保将来在应用电路中添加额外功能外，还有足够的备用电源容量来应对任何额外的负载，还需要一定的安全系数才能获得最大的可靠性。这些都是难以反驳的有力论据，但它并不总是设计电源的最有效方法。 对于大约超过 20% 的所有负载，效率过载图非常平坦，这很好，但在 50% 负载 (5W) 时，效率在 77% 和 81% 之间变化，具体取决于电源电压。在 100% 负载下，无论输入电压如何，效率都保持在 83% 不变。这种差异可能看起来并不显着，但 77% 的效率意味着 30% 的供应能量被浪费为热量，而 83% 的效率意味着只有 20% 被浪费——耗散功率显着降低。如果将电源替换为等效的 5W 额定部件，则无论电源电压如何，效率都将恒定为 83%。 此外，不仅其工作效率更高，而且5W部件的尺寸也比10W部件的尺寸小了将近一半；它也更便宜——双赢的局面。 峰值功率与平均功率 但是，我听到你说，峰值功率怎么样？在最坏情况下连续负载条件下运行的电源如何应对任何额外的短期峰值过载？ 这里的关键词是“最坏情况”——在正常运行期间，负载通常会低于该功率需求。如果转换器在最坏情况负载下连续运行，它仍然可以轻松处理这个功率水平，尽管实际负载在实践中会少得多。这为转换器提供了一些“热余量”，以处理高于连续工作负载的短期峰值过载。 这里的一个重要数字是 PP——峰值输出功率。标称输出功率为 5W，但它实际上可以提供 6W 而不会触发过载保护。对于小于 120% 标称负载的过载，限制因素是转换器内部组件的内部温度。如果转换器在过载事件之间有足够的时间冷却，它就可以承受多次或循环过载，并仍然提供稳定的输出电压。 对于非常短、非常严重的过载事件，可以安装一个外部输出电容器以提供所需的峰值电流并阻止转换器进入过载保护状态。这对于无线连接微控制器等应用非常有用，在这些应用中，传输突发期间的电流峰值非常短，是高功率事件，但平均功耗要低得多。在这种情况下，可以设计电源以提供平均功率而不是峰值功率。 至此，我们已经考虑了 AC/DC 转换器，但也可以对 DC/DC转换器进行相同的分析。它们之间的区别在于，DC/DC 转换器设计为在 80-100% 的输出功率范围内连续运行，如果在低得多的负载下使用，它们的效率曲线下降得更快。因此，以低输出电流运行它们并不总是意味着它们的运行温度更低。通常，应避免在 5W 负载下使用 10W DC/DC 转换器，除非除了功率降额之外没有其他方法可以满足所需的工作温度范围规范。例如，RS12-Z 系列在紧凑的 SIP8 外壳 (21.8mm x 9.6mm) 中提供令人印象深刻的 12W 隔离功率。借助自然对流冷却和标称 24V 电源，RS12-Z 转换器可在高达 75°C 的温度下全功率运行，同时通过将负载降额至 50%，它可以在 -40°C 至 85°C 的工业温度范围内工作。因此，将负载减半仅提供 10°C 的额外环境温度范围，因为转换器不再以其最高效率运行。尽管如此，在仅采用自由空气对流冷却的全工业温度范围内运行的 SIP8 外壳中，即使功率为 6W，仍然明显优于竞争对手，后者必须采用强制风冷才能提供相同的输出功率。 过流保护 许多低成本 AC/DC 和 DC/DC 转换器都有一个非常简单的输出过流保护电路，该电路基于检测内部分流电阻器上的压降（图）。
图 ：简单的过流保护。当分流电阻两端的电压超过 0.7V 时，NPN 晶体管导通并禁用功率 FET 的栅极驱动。 这种内部保护电路虽然实施简单且作为短路保护非常有效，但由于触发点在很大程度上取决于分流电阻器的容差和 NPN 晶体管的 VBE 阈值电压，因此具有较宽的过流限制变化范围。因此确定组件值，以便在 100% 负载时，过流保护不会在整个环境工作温度范围以上误触发。这使转换器在室温下具有非常宽的过载容限——通常高达标称输出功率的 140%。这种转换器可以在连续满载下可靠地运行，并且仍然有很大的余量来应对任何过载情况。 这种概括的一个例外是 DC/DC 开关稳压器，它们通常以较高的开关频率运行以最小化组件的尺寸（对于降压转换器，增加频率会减少输出电感器和输出电容器），因此具有更少的如果遇到突然的峰值过载情况，则存储内部功率储备。分流电阻器通常集成在与主控制器 IC 相同的晶圆芯片上，并且具有更严格的电阻值公差，从而减少过流限制的变化。此外，大多数开关稳压控制器还使用基于精确比较器输出的逐周期电流限制监视器，而不是依赖于不精确的 Vbe 结阈值电压。因此，如果达到过流或短路保护限制，它们几乎会立即关闭。因此，DC/DC 开关稳压器的尺寸应该能够处理最坏情况下的峰值负载条件，而不是平均负载。 结论 过度指定 AC/DC 或 DC/DC转换器来处理瞬态峰值负载，就好像它们是连续条件一样，效率低下，可能导致电源供应量超出所需。通过了解应用的平均、最坏情况和峰值负载条件，可以选择最佳解决方案，以较低的成本确保可靠的电源电压。我们的技术支持工程师或我们的技术销售团队可以为您的应用提供最佳解决方案建议。 |
