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%，根據能源之星的研究數(shù)據，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。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，空調的使用也越來越普及。事實上，在中國，空調的使用量在過去5年中已經增加了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。在此情形下，許多國家紛紛出臺了新的法規(guī)，旨在提高空調和熱泵的效率。
只有采用先進的電子技術，才能滿足日益嚴格的新空調能效標準，比如使用變速電機驅動器為標準交流異步電機或無刷直流壓縮機供電。不過，這些先進的系統(tǒng)往往需要使用復雜的多路輸出電源：既能以高效率進行工作，又能供應風扇電機啟動時所需的峰值電流。下面將要介紹的電源設計則完全能滿足這些要求，而且它的制造成本不高，進行大量生產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的理想驅動，12V輸出用于驅動壓縮機蒸發(fā)風扇，5V輸出則用于電子控制元件。連續(xù)負載為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IC TinySwitch-PK設計而成，該器件由Power Integrations公司(PI)生產，非常適合空調風扇電機等要求提供峰值功率的應用。
TinySwitch-PK所具有的峰值處理特性使電源變壓器可以根據連續(xù)功率負載而不是峰值功率進行設計，這樣可以進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，開關電源變壓器所需的銅要少得多，如果使用TinySwitch-PK進行設計的話，銅使用量還會得到進一步降低。此外，由于TinySwitch-PK中集成了MOSFET，設計出的電源要比使用TinySwitch-III系列器件設計出的電源更小些。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現(xiàn)電源設計。
TinySwitch-PK采用了經PI優(yōu)化的開/關控制方法。開/關控制與傳統(tǒng)的PWM控制器所采用的方法截然不同，它在整個功率負載范圍內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/關控制器、電流限流(用戶可選)及熱關斷電路。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、遲滯熱關斷以及降低EMI的頻率抖動。
圖1為TinySwitch-PK反激式轉換器應用的設計范例。在使能狀態(tài)下，振蕩器在每個開關周期開始時都會導通功率MOSFET，變壓器初級側的電流開始增大。當電流達到限流點時，MOSFET才會關斷。由于TinySwitch-PK設計的最高流限值與頻率是定值，它提供給負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引腳進行取樣，來決定是否執(zhí)行一個開關周期，并根據多個周期的取樣序列確定適當?shù)牧飨蕖Ｖ刎撦d時，流限狀態(tài)調節(jié)器將流限設置到最高值。對于TinySwitch-PK而言，當狀態(tài)調節(jié)器將流限設置到其最高值時，振蕩器頻率也將提高一倍，從而提供獨特的峰值功率模式。負載減輕時，流限狀態(tài)調節(jié)器會相應將流限值的設置降低。電流限流點達到較低水平時，振蕩器頻率恢復到標準值。
因此，通過調節(jié)振蕩器頻率和電流限流點，TinySwitch-PK最高能夠產生的功率是給定變壓器初級繞組圈數(shù)和骨架尺寸的設計功率水平的280%(使用同樣的集成MOSFET)。再加上其出色的瞬態(tài)響應，TinySwitch-PK所具有的功率提升能力可大大降低電源尺寸、重量及設計成本。雖然本設計屬于非隔離式設計，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，并根據該反饋使能或禁止其集成MOSFET的開關，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引腳的關斷閾值電流(115μA)，將跳過開關周期。當EN/UV引腳流出的電流低于關斷閾值電流時，開關周期將重新使能。在連續(xù)輸出功率工作條件下，TinySwitch-PK的工作頻率為132kHz。其獨特的峰值模式特性可以在峰值負載條件下將電流限流點提升30%，并使開關頻率增大一倍，達到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緩沖器(R7、C11、R8和C15)得到進一步增強。雖然在峰值負載條件下會發(fā)生倍頻，但只需為132kHz頻率設計EMI抑制電路便可實現(xiàn)正常工作。
這款電源在通用AC輸入電壓范圍內均具有80%的效率，可以用來驅動空調中的電子控制元件和電機。
圖2為空調電源的完整電路圖。反激式設計具有極高的能效，能夠滿足CEC 2008/能源之星對帶載模式效率的要求(效率可達80%，要求為74.9%)，并且在265VAC條件下的低負載功耗小于160mW。該電源在高溫環(huán)境(TAMB=85℃)下可實現(xiàn)所有性能，并且集成有精確的遲滯熱關斷保護功能。本設計包含有效的EMI保護功能，符合CISPR-22/EN55022B傳導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。
雖然本設計屬于非隔離式設計，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，并根據該反饋使能或禁止其集成MOSFET的開關，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引腳的關斷閾值電流(115μA)，將跳過開關周期。當EN/UV引腳流出的電流低于關斷閾值電流時，開關周期將重新使能。在連續(xù)輸出功率工作條件下，TinySwitch-PK的工作頻率為132kHz。其獨特的峰值模式特性可以在峰值負載條件下將電流限流點提升30%，并使開關頻率增大一倍，達到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緩沖器(R7、C11、R8和C15)得到進一步增強。雖然在峰值負載條件下會發(fā)生倍頻，但只需為132kHz頻率設計EMI抑制電路便可實現(xiàn)正常工作。
這款電源在通用AC輸入電壓范圍內均具有80%的效率，可以用來驅動空調中的電子控制元件和電機。