峰值功率與平均功率 — 如何選擇合適的轉(zhuǎn)換器

　　許多工程師傾向選擇「余量」充足的電源，例如一個(gè)應(yīng)用消耗 5W 的功率，那么會(huì)選擇 10W 的電源以應(yīng)付最壞的情況。這背后的理由是除了需要一定的安全系數(shù)才能獲得高可靠性，也要確保以后在應(yīng)用電路中添加功能時(shí)還有足夠的電源容量來(lái)應(yīng)對(duì)額外的負(fù)載。這些都是難以反駁的有力論點(diǎn)，但它并非總是電源應(yīng)用最有效的方法。

　　以 10W AC/DC 電源（例如 RAC10-12SK/277）的典型效率/負(fù)載圖為例：

　　圖 1：10W AC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率/負(fù)載圖

　　效率曲線圖顯示負(fù)載超過(guò) 20% 時(shí)維持平坦，表現(xiàn)很好。但到了 50% 負(fù)載 （5W） 時(shí)，效率根據(jù)電源電壓的不同在 77% 到 81% 之間變化（圖 1，橘線）。在 100% 負(fù)載下，無(wú)論何種輸入電壓效率都維持在 83% 不變（圖 1，藍(lán)線）。這種差異看起來(lái)可能并不明顯，但 77% 的效率就意味著 30% 的供應(yīng)能量被浪費(fèi)為熱量，而 83% 的效率代表只有 20% 被浪費(fèi)，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(zhuǎn)換器的效率/負(fù)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！

　　峰值功率與平均功率

　　您或許會(huì)問，那峰值功率呢？在最壞的連續(xù)負(fù)載條件下，電源要如何應(yīng)對(duì)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(yùn)行期間負(fù)載通常會(huì)低于功率需求。如果轉(zhuǎn)換器在最壞的負(fù)載情況下連續(xù)工作，它仍然可以輕松處理這樣的功率水平，而實(shí)際上負(fù)載也不會(huì)那么高。這為轉(zhuǎn)換器提供了一些「熱余量」來(lái)處理高于連續(xù)工作負(fù)載的短期峰值過(guò)載。

　　例如，RAC05-SK/277 規(guī)格書提供了峰值負(fù)載能力的計(jì)算公式（圖 3）：

　　圖3. 峰值負(fù)載計(jì)算公式（源自規(guī)格書）

　　這里的一個(gè)重要的數(shù)值是 PP – 峰值輸出功率。RAC05-SK/277 的標(biāo)稱輸出功率為 5W，而實(shí)際上它可以在不觸發(fā)過(guò)載保護(hù)的情況下提供 6W。過(guò)載如果低于標(biāo)稱負(fù)載的 120%，轉(zhuǎn)換器內(nèi)的器件溫度是限制因子。如果轉(zhuǎn)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(xù)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

　　如要應(yīng)付非常短暫且嚴(yán)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(zhuǎn)換器啟動(dòng)過(guò)載保護(hù)。這對(duì)無(wú)線連接微控制器等應(yīng)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(duì)提供平均功率而不是峰值功率來(lái)設(shè)計(jì)。

　　圖 4：支持 WLAN 微控制器的典型電流消耗曲線

　　到目前為止我們已經(jīng)探討了 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，但也可以用相同的方式分析 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它們之間的區(qū)別在于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是專為在 80-100% 的輸出功率范圍內(nèi)連續(xù)工作所設(shè)計(jì)的，它們的效率曲線在低負(fù)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(yīng)該避免 5W 負(fù)載使用 10W DC/DC 轉(zhuǎn)換器，除非遇到除了降額以外沒有其他方法可以滿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(zhuǎn)換器使用自然對(duì)流冷卻和標(biāo)稱 24V 電源可在高達(dá) 75°C 的溫度下全功率工作，而負(fù)載降額 50% 時(shí)工作溫度為 -40°C 至 +85°C。負(fù)載減半?yún)s只提供 +10°C 的環(huán)境溫度范圍，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器不再以最高效率工作。即使如此，僅采用自然對(duì)流冷卻就可在全工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作的 SIP8 封裝 6W 轉(zhuǎn)換器仍然大幅優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因?yàn)楹笳弑仨毲笾趶?qiáng)制空氣冷卻才能提供相同的輸出功率。

　　過(guò)流保護(hù)

　　許多低成本的 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器都有非?；镜妮敵鲞^(guò)流保護(hù)電路來(lái)偵測(cè)內(nèi)部電流取樣電阻器的電壓降（圖 5）。

　　圖 5：基本的過(guò)流保護(hù)。電流取樣電阻器兩端的電壓超過(guò) 0.7V 時(shí)會(huì)導(dǎo)通NPN 晶體管并斷開功率 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)。

　　這種保護(hù)電路雖然簡(jiǎn)單而且作為短路保護(hù)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(fù)載下過(guò)流保護(hù)不會(huì)在環(huán)境工作溫度范圍以上時(shí)誤觸發(fā)。這使轉(zhuǎn)換器在室溫下具有非常寬的過(guò)載容量 — 通常高達(dá)標(biāo)稱輸出功率的 140%。這種轉(zhuǎn)換器可以在連續(xù)滿載的情況下可靠工作，同時(shí)仍有很大的余量來(lái)應(yīng)付任何過(guò)載狀況。

　　這個(gè)概述有一個(gè)例外，DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器通常以較高的開關(guān)頻率工作來(lái)縮小器件尺寸（降壓轉(zhuǎn)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(chǔ)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(yán)格的電阻值容差從而降低過(guò)流限制的變化。此外，大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器控制器也使用精確的比較器輸出來(lái)監(jiān)測(cè)逐周期電流限制，而不是依賴不精確的 Vbe 結(jié)點(diǎn)閾值電壓，因此達(dá)到過(guò)流或短路保護(hù)的極限時(shí)它們會(huì)立即關(guān)閉。由此可見，應(yīng)該考慮 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器在最壞情況下的峰值負(fù)載條件而非平均負(fù)載。

　　結(jié)論

　　超規(guī)格過(guò)度指定 AC/DC 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)應(yīng)付瞬態(tài)峰值負(fù)載，就好像它們是一個(gè)連續(xù)狀態(tài)，不但會(huì)降低效率同時(shí)還可能導(dǎo)致電源供應(yīng)量超出必要范圍。通過(guò)了解應(yīng)用的平均、最壞情況和峰值負(fù)載等條件，才能選擇最適當(dāng)?shù)慕鉀Q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)銷售團(tuán)隊(duì)可以為您的應(yīng)用提供最好的建議。