筆記本電腦電源適配器輕型化方案 |
現(xiàn)階段主要包含兩種電源分類:線性電源和開(kāi)關(guān)電源。 對(duì)于線性電源來(lái)說(shuō) ,其內(nèi)部電容及其變壓器的大小和AC市電的工作頻率成反比,因?yàn)槟壳耙恢辈捎玫氖?0-60Hz工作頻率的AC市電,因此 其變壓器及其電容的體積通常都相對(duì)有點(diǎn)大。 綜上所述,個(gè)人PC端消費(fèi)者并不宜用線性電源。 開(kāi)關(guān)電源能夠利用高頻開(kāi)關(guān)模式有效的化解這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō) ,AC輸入電壓能夠在進(jìn)入變壓器之前升壓。伴隨著輸入電壓的升高,變壓器及其電容等元器件的體積就不用像線性電源那么的大。 受益于硅元器件封裝不斷的完善,開(kāi)關(guān)工作頻率已經(jīng)推到了兆赫茲級(jí)別,被動(dòng)元件的體積不斷減小,變換器提高了功率密度,但是高開(kāi)關(guān)工作頻率帶來(lái)的高開(kāi)關(guān)損耗、高磁芯損耗使得整個(gè)系統(tǒng)損耗大幅增加。 2處理辦法 VHF是VeryHighFrequency的縮寫(xiě),即甚高頻。在電源領(lǐng)域是指頻大于10Mhz的電子硅元器件開(kāi)關(guān)。 甚高頻開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是很明顯的,電源適配器的規(guī)格,重量和成本是取決于被動(dòng)元件。動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)工作頻率控制是最好的處理辦法。在30Mhz工作頻率下,功率在100瓦級(jí)的電源適配器采用的電感和電容在100nH和100pF范圍。在這個(gè)量級(jí),會(huì)采用小型、空氣電感和變壓器。 這樣的變化對(duì)電源成本和生產(chǎn)有非常大的優(yōu)勢(shì)。 因此 ,采用甚高頻開(kāi)關(guān)是減小電源適配器重量的一種可靠的出路,開(kāi)關(guān)工作頻率在30Mhz-100Mhz。這個(gè)工作頻率是現(xiàn)有高頻開(kāi)關(guān)工作頻率的1000倍然而,伴隨著開(kāi)關(guān)工作頻率的大幅提高,功率密度也是被特定因素制約的. 2.1開(kāi)關(guān)損耗 開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)有兩種:斷開(kāi)狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)。斷開(kāi)狀態(tài)時(shí),流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流為0,雖然開(kāi)關(guān)兩端電壓不為0,但P=UI=0,因此 不消耗功率。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),開(kāi)關(guān)上流過(guò)電流,但開(kāi)關(guān)兩端電壓為0,同樣P=UI=0。實(shí)際上開(kāi)關(guān)元器件開(kāi)關(guān)時(shí)總有一個(gè)過(guò)渡狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗。而且開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)工作頻率成正比。 開(kāi)關(guān)損耗包含導(dǎo)通損耗和截止損耗。導(dǎo)通損耗發(fā)生的因素:導(dǎo)通瞬間開(kāi)關(guān)元器件電壓的不能馬上降為0,而電流從0已上升,所以在開(kāi)關(guān)管上發(fā)生電流電壓變換狀況,而發(fā)生損耗電壓不能馬上降為0的因素是開(kāi)關(guān)元器件上有寄生電容,電容上電壓不能突變,即不能馬上降為0,從而發(fā)生功率損耗。在導(dǎo)通過(guò)程中,寄生電容的儲(chǔ)能利用開(kāi)關(guān)元器件放掉而損失。截止損耗發(fā)生的因素:結(jié)束瞬間開(kāi)關(guān)器件電流無(wú)法立刻降至0,而電壓已經(jīng)從0上升,在開(kāi)關(guān)器件上造成電壓電流交替狀況。電流無(wú)法立刻為0的原因是,與開(kāi)關(guān)器件連接的電路中有寄生電感,阻礙電流變化。并且逆變電路中變壓器是電感元件,當(dāng)開(kāi)關(guān)突然關(guān)斷時(shí),變壓器電感元件電流無(wú)法突變,并會(huì)造成很大的反激電壓,阻礙電流變化,通過(guò)電路加在開(kāi)關(guān)管上,造成比較大的損耗。提高開(kāi)關(guān)速度不但無(wú)法消除損耗,相反會(huì)使反激電壓越大,損耗更大。 2.2磁材損耗 磁材損耗是和開(kāi)關(guān)頻率的k次方成正比的。磁材是限制頻率關(guān)鍵因素,外加上磁性元件一般能承受的溫升也就50到60攝氏度。 磁材損耗是磁芯材質(zhì)內(nèi)交替磁場(chǎng)引致的結(jié)果。某一種材質(zhì)所造成的損耗,是操作頻率與總磁通擺幅(ΔB)的函數(shù)。磁芯損耗是由磁芯材質(zhì)的磁滯、渦流和剩余損耗引起的。 2.3其他限制因素 EMI和干擾、系統(tǒng)散熱、電容和電感的寄生效應(yīng)等。 3高頻電源電源適配器的制約因素的解決辦法 3.1開(kāi)關(guān)損耗 使用高集成的新型硅芯片(比如:美國(guó)麻省理工的FINsix團(tuán)隊(duì)研發(fā)的VHF開(kāi)關(guān))。 3.2磁材損耗 通過(guò)使用空磁芯變壓器線圈解決磁材損耗。 3.3EMI和干擾 通過(guò)布線設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)工作頻率選擇(EMI仿真圖上選擇轉(zhuǎn)擇點(diǎn)座位最佳開(kāi)關(guān)工作頻率)。 3.4系統(tǒng)散熱 采用MetalcorePCB技術(shù),熱阻一般為4℃/W。另一種叫DCB的技術(shù),用陶瓷基板散熱,器件從陶瓷上表面到下表面的熱阻基本為0.4℃/W。 4具體應(yīng)用結(jié)果與效益 以目前市面 主流PC品牌廠家的電源適配器舉例,某高頻電源適配器電源的凈重分別是(惠普)Probook5310m的15%和(惠普)Paviliondv6的12%。 以每一個(gè)包裝運(yùn)輸單位(80~90臺(tái)筆記本電腦)估算,每一個(gè)包裝單位能夠增加20臺(tái)筆記本電腦,如圖1。
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| 發(fā)布時(shí)間:2020.12.17 來(lái)源: |
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