隨著近期世界石油價格的飆升,，能源消耗成本開始成為倍受關(guān)注的問題,。平均而言,，建筑物占到二氧化碳排放總量的40%,，根據(jù)能源之星的研究數(shù)據(jù),，住宅中50%的能源都消耗于供暖和冷卻系統(tǒng)。
在許多國家,，能源需求高峰一般出現(xiàn)在夏季,，而不是冬季，這是由于人們會在夏季大量使用空調(diào),。在美國,，這種情況早已司空見慣，而在日本,、歐洲以及印度和中國等發(fā)展中國家,，空調(diào)的使用也越來越普及。事實(shí)上,，在中國,，空調(diào)的使用量在過去5年中已經(jīng)增加了4倍，從每百戶8臺增至每百戶31臺,。
從全世界的范圍來看,，空調(diào)對能源消耗總量的影響是非常巨大的，因為每年都會在原來的基數(shù)上新增3500萬臺空調(diào),。在此情形下,，許多國家紛紛出臺了新的法規(guī)，旨在提高空調(diào)和熱泵的效率,。
只有采用先進(jìn)的電子技術(shù),，才能滿足日益嚴(yán)格的新空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)，比如使用變速電機(jī)驅(qū)動器為標(biāo)準(zhǔn)交流異步電機(jī)或無刷直流壓縮機(jī)供電,。不過,，這些先進(jìn)的系統(tǒng)往往需要使用復(fù)雜的多路輸出電源：既能以高效率進(jìn)行工作，又能供應(yīng)風(fēng)扇電機(jī)啟動時所需的峰值電流,。下面將要介紹的電源設(shè)計則完全能滿足這些要求,，而且它的制造成本不高，進(jìn)行大量生產(chǎn)時可以確保良好的性能一致性,。該電源可以提供兩個電氣隔離的12V輸出,，是半橋IGBT的理想驅(qū)動，12V輸出用于驅(qū)動壓縮機(jī)蒸發(fā)風(fēng)扇,，5V輸出則用于電子控制元件,。連續(xù)負(fù)載為17.7W，并可由90V~265V通用電源輸入電壓提供29.7W的峰值輸出,。
該電源使用離線式開關(guān)IC TinySwitch-PK設(shè)計而成,，該器件由Power Integrations公司（PI）生產(chǎn)，非常適合空調(diào)風(fēng)扇電機(jī)等要求提供峰值功率的應(yīng)用。
TinySwitch-PK所具有的峰值處理特性使電源變壓器可以根據(jù)連續(xù)功率負(fù)載而不是峰值功率進(jìn)行設(shè)計,，這樣可以進(jìn)一步減小變壓器磁芯的尺寸,。變壓器的尺寸以及制造所需的銅鐵數(shù)量現(xiàn)在已成為越來越重要的考慮因素。
與小型線性電源通常需使用75gm銅相比,，開關(guān)電源變壓器所需的銅要少得多,，如果使用TinySwitch-PK進(jìn)行設(shè)計的話，銅使用量還會得到進(jìn)一步降低,。此外,，由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET，設(shè)計出的電源要比使用TinySwitch-III系列器件設(shè)計出的電源更小些,。再加上可以省去其它元件,，最終的電源將比線性電源更具成本優(yōu)勢，與此同時,，在能源效率和空載功耗方面仍具備開關(guān)電源的所有優(yōu)勢,。該器件高度集成，需要極少的外部元件,，因此可以在單面印刷電路板上實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計,。
TinySwitch-PK采用了經(jīng)PI優(yōu)化的開/關(guān)控制方法,。開/關(guān)控制與傳統(tǒng)的PWM控制器所采用的方法截然不同,，它在整個功率負(fù)載范圍內(nèi)均具有非常平坦的效率特性。
TinySwitch-PK集成了一個700V的功率MOSFET,、振蕩器,、開/關(guān)控制器、電流限流（用戶可選）及熱關(guān)斷電路,。其它特性包括集成的自動重啟動,、輸入欠壓和輸出過壓保護(hù)、遲滯熱關(guān)斷以及降低EMI的頻率抖動,。
圖1為TinySwitch-PK反激式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的設(shè)計范例,。在使能狀態(tài)下，振蕩器在每個開關(guān)周期開始時都會導(dǎo)通功率MOSFET,，變壓器初級側(cè)的電流開始增大,。當(dāng)電流達(dá)到限流點(diǎn)時，MOSFET才會關(guān)斷,。由于TinySwitch-PK設(shè)計的最高流限值與頻率是定值,，它提供給負(fù)載的功率與變壓器初級電感及峰值初級電流的平方成正比。
TinySwitch-PK的內(nèi)部振蕩器始終工作,。它在每個時鐘周期上升沿對EN/UV引腳進(jìn)行取樣,，來決定是否執(zhí)行一個開關(guān)周期，并根據(jù)多個周期的取樣序列確定適當(dāng)?shù)牧飨蕖Ｖ刎?fù)載時,，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器將流限設(shè)置到最高值,。對于TinySwitch-PK而言，當(dāng)狀態(tài)調(diào)節(jié)器將流限設(shè)置到其最高值時,，振蕩器頻率也將提高一倍,，從而提供獨(dú)特的峰值功率模式。負(fù)載減輕時,，流限狀態(tài)調(diào)節(jié)器會相應(yīng)將流限值的設(shè)置降低,。電流限流點(diǎn)達(dá)到較低水平時，振蕩器頻率恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值,。
因此,，通過調(diào)節(jié)振蕩器頻率和電流限流點(diǎn)，TinySwitch-PK最高能夠產(chǎn)生的功率是給定變壓器初級繞組圈數(shù)和骨架尺寸的設(shè)計功率水平的280%（使用同樣的集成MOSFET）,。再加上其出色的瞬態(tài)響應(yīng),，TinySwitch-PK所具有的功率提升能力可大大降低電源尺寸、重量及設(shè)計成本,。雖然本設(shè)計屬于非隔離式設(shè)計,，但通過用一個光耦合器來代替晶體管Q1和Q2，可以隔離反饋路徑,。
二極管D1,、D2、D3和D4以及電容C1和C2可以對AC輸入進(jìn)行整流和平滑,。電容C1,、C2和共模電感L1提供差模及共模EMI濾波。
TinySwitch-PK（U1）中的控制器通過Q1接收來自輸出端的反饋,，并根據(jù)該反饋使能或禁止其集成MOSFET的開關(guān),，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。5V輸出端的電流流入并聯(lián)穩(wěn)壓器（U2）,，從而可以控制流經(jīng)Q1和Q2中的電流,。與其成比例的電流然后從EN/UV腳被拉出。一旦電流超過EN/UV引腳的關(guān)斷閾值電流（115μA）,，將跳過開關(guān)周期,。當(dāng)EN/UV引腳流出的電流低于關(guān)斷閾值電流時，開關(guān)周期將重新使能,。在連續(xù)輸出功率工作條件下,，TinySwitch-PK的工作頻率為132kHz。其獨(dú)特的峰值模式特性可以在峰值負(fù)載條件下將電流限流點(diǎn)提升30%,，并使開關(guān)頻率增大一倍,，達(dá)到264 kHz,。
為了支持高環(huán)境溫度工作（85℃），U1采用了一個小型散熱片,。
設(shè)計中有兩個元件可用來提升效率,。元件D6和VR1與電容C3一起組成箝位電路，這有助于恢復(fù)部分漏感能量,。為了降低空載輸入功率和提高輕載效率,，R3從變壓器的輔助偏置繞組為U1反饋電流。這樣可以獲得非常寬的高效率范圍,。
TinySwitch-PK開關(guān)集成了用以降低EMI的頻率抖動功能,，該功能又可以通過次級側(cè)緩沖器（R7、C11,、R8和C15）得到進(jìn)一步增強(qiáng),。雖然在峰值負(fù)載條件下會發(fā)生倍頻，但只需為132kHz頻率設(shè)計EMI抑制電路便可實(shí)現(xiàn)正常工作,。
這款電源在通用AC輸入電壓范圍內(nèi)均具有80%的效率,，可以用來驅(qū)動空調(diào)中的電子控制元件和電機(jī)。
圖2為空調(diào)電源的完整電路圖,。反激式設(shè)計具有極高的能效,，能夠滿足CEC 2008/能源之星對帶載模式效率的要求（效率可達(dá)80%，要求為74.9%）,，并且在265VAC條件下的低負(fù)載功耗小于160mW,。該電源在高溫環(huán)境（TAMB=85℃）下可實(shí)現(xiàn)所有性能，并且集成有精確的遲滯熱關(guān)斷保護(hù)功能,。本設(shè)計包含有效的EMI保護(hù)功能,，符合CISPR-22/EN55022B傳導(dǎo)EMI限值,，且EMI裕量》10dBmV,。該電源能夠承受不定時的短路輸出條件，并在故障消除后自動重啟動,。
雖然本設(shè)計屬于非隔離式設(shè)計,，但通過用一個光耦合器來代替晶體管Q1和Q2，可以隔離反饋路徑,。
二極管D1,、D2、D3和D4以及電容C1和C2可以對AC輸入進(jìn)行整流和平滑,。電容C1,、C2和共模電感L1提供差模及共模EMI濾波。
TinySwitch-PK（U1）中的控制器通過Q1接收來自輸出端的反饋,，并根據(jù)該反饋使能或禁止其集成MOSFET的開關(guān),，以維持輸出電壓的穩(wěn)定,。5V輸出端的電流流入并聯(lián)穩(wěn)壓器（U2），從而可以控制流經(jīng)Q1和Q2中的電流,。與其成比例的電流然后從EN/UV腳被拉出,。一旦電流超過EN/UV引腳的關(guān)斷閾值電流（115μA），將跳過開關(guān)周期,。當(dāng)EN/UV引腳流出的電流低于關(guān)斷閾值電流時,，開關(guān)周期將重新使能。在連續(xù)輸出功率工作條件下,，TinySwitch-PK的工作頻率為132kHz,。其獨(dú)特的峰值模式特性可以在峰值負(fù)載條件下將電流限流點(diǎn)提升30%，并使開關(guān)頻率增大一倍,，達(dá)到264 kHz,。
為了支持高環(huán)境溫度工作（85℃），U1采用了一個小型散熱片,。
設(shè)計中有兩個元件可用來提升效率,。元件D6和VR1與電容C3一起組成箝位電路，這有助于恢復(fù)部分漏感能量,。為了降低空載輸入功率和提高輕載效率,，R3從變壓器的輔助偏置繞組為U1反饋電流。這樣可以獲得非常寬的高效率范圍,。
TinySwitch-PK開關(guān)集成了用以降低EMI的頻率抖動功能,，該功能又可以通過次級側(cè)緩沖器（R7、C11,、R8和C15）得到進(jìn)一步增強(qiáng),。雖然在峰值負(fù)載條件下會發(fā)生倍頻，但只需為132kHz頻率設(shè)計EMI抑制電路便可實(shí)現(xiàn)正常工作,。
這款電源在通用AC輸入電壓范圍內(nèi)均具有80%的效率,，可以用來驅(qū)動空調(diào)中的電子控制元件和電機(jī)。