新一代電子設備不管是有線還是無線，都不斷追求降低平均功耗的目標。尤其是現今各種全球性監管機構不斷施加壓力，要求電子設備都具有高能效，但是一些產品使用馬達、硬碟驅動器和其他大電容、大電感的元件就會產生很高的峰值負載電流。因此，即使是平均功耗能夠降低，峰值功率水準還是很高。
包括遊戲機和印表機在內的各種消費性電子產品通常採用現成的電源以滿足其最大功率要求。但是，這些現成的電源必須提供應用所需的最大功率，由於這些電子產品的負荷曲線通常包括較低的平均功耗和偶爾產生的較大的暫態峰值，因此在這些應用中採用這類電源往往是大材小用。
成本/尺寸主導電源設計方向
因此，對於選擇電源的工程師出現了一個獨特的問題，電源的大小是否應該設計到能夠連續輸出最大暫態所需的功率，還是設計到平均所需的功率，然後通過主動元件或被動元件的方案來應對峰值輸出?在離線式交直流轉換電源電路中，外部元件的尺寸主導了這場辯論，潛在的解決方案將決定電源的成本和尺寸，從而進一步對整個最終產品產生重要影響。
電源設計者努力在離線式電源的成本和性能之間尋求平衡的同時，也須要考慮電源實際所使用的環境。對於需要高峰值電流的應用而言，這種考慮更加重要，不過短時間內出現高出平均電流50~60%的電流峰值的情況並不少見。
針對需要60瓦(W)暫態功率而平均為40瓦輸出的應用。60瓦的大型電源具有卓越的性能，因為能連續應對峰值功率。但是，其設計在電氣和散熱方面要滿足60瓦輸出功率的尺寸要求。
從電氣角度來看，為較低的平均連續電流而設計的電源能夠節約成本和空間，這是因為磁性元件和功率元件都可以用體積小成本低的元件。從散熱角度來看，為連續輸出60瓦設計所需的功率元件要滿足更高的連續功率損耗要求，因此散熱器的尺寸和成本更高。
圖1顯示兩個不同散熱器的並排情況。其中一個是主功率元件在60瓦連續供電情況下所需的散熱器，較小的一個是40瓦連續供電下使用的散熱器。尺寸(和成本)差異非常明顯。
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| 圖1 主功率元件在60瓦連續供電下的散熱器左)與40瓦連續供電下使用的較小散熱器(右)之間的尺寸對比。 |
次級側整流元件在電氣和散熱方面與初級側功率元件的情況相同，較高的功率設計會給次級側整流元件增加元件和成本。
很明顯，設計到最大峰值功率的電源能夠運行良好，但成本較高。一種替代方案是基於較低平均功率的設計採用被動元件蓄能，但是需要大量輸出電容以確保滿足峰值功率的要求，而且在工作週期較高的重複脈衝下這種方案不能良好運行。理想的選擇是設計出能夠輕鬆供給平均功率而又能滿足峰值功率要求的電源，在電氣和散熱方面不做超裕量設計。
如果把電源按照平均功率設計但允許超出額定最大電流的50%的峰值電流通過，則電源會比較小。適合較低平均功率的磁性元件是可以應對峰值功率的，雖然在峰值期間的效率稍微低些，但是不會顯著影響總體效率，反而較小尺寸的變壓器會減小整體尺寸和降低成本。
同樣地，主功率元件也可針對較低的平均電流來設計，從而優化整體設計的尺寸和成本。
SmartDefender技術杜絕短路問題
要提供峰值功率可藉由增加電源控制器上的輸出電流限制點達到超出峰值功率所需的水準，電源能在需要的情況下提供額外的電流。
但是，這種方法同樣需要散熱的考量。因為在故障的情況下，比如連續超電流狀態下發生持續輸出的故障，則電源可能會過熱並產生安全問題。這樣散熱管理問題與連續峰值功率的設計可能更棘手，所以須要找出既能夠提供峰值電流，也不影響總體電源安全性和可靠性的方法。
如果電源能在有限時間範圍內提供峰值電流，那麼電氣和散熱設計可以接近針對平均功率而設計的方案，在提供額外電流的情況下將成本和尺寸控制到最低，而數位控制技術實現的時序解決方案能輕鬆地實現峰值功率的應用。
一種雙重電流限制的方法(由主限流點設定平均電流，次限流點設定峰值功率模式下的更高電流)允許通過暫態峰值電流，同時將熱損失降到最低，從而減少輸出電容的需求，並確保外部元件達到基於平均功率設計所需的尺寸。
等效類比計時電路可提供類似的計時功能，但是靈活性不高，因為模擬計時方法的時間常數(RC時間常數)限制了重複脈衝的頻率和工作週期，內部計時電路沒有足夠的時間在重複脈衝之間放電，有可能導致計時故障。
目前具有峰值功率控制的數位電源控制器採用數位控制迴路，其電流限制電路能在40毫秒時間內提供高達60%的額外輸出電流，然後再把輸出電流降至平均功率的安全水準。
如此一來，使用者可以配置最大電流，且不會影響正常的過電流故障保護。在完全短路或輸出過電流發生軟短路故障時，電流輸出將會被切斷並進入智慧低功耗模式，或稱為智慧間斷式輸出(SmartDefender)技術，處理電纜和連接器中的軟短路現象，防止在故障情況下出現過熱和損壞(圖2)。
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| 圖2 SmartDefender技術可解決電源轉換器纜線與連接器軟短路的問題。 |
這樣的電源控制器大大簡化了電源設計應用，設計者可以採用遠低於針對峰值功率連續工作而設計的散熱器，還能夠使用符合平均輸出功率而非峰值功率的元件，從而節省成本和空間。
圖3顯示電源控制器在12伏特(V)、2安培(A)的平均輸出電流應用中，在所允許的40毫秒時間內從最大的平均電流2安培轉變至超過平均電流60%的峰值電流時的波形，輸出情況穩定，並提供負荷在峰值功率時間內所需的電流，直到峰值負荷減弱並回到正常的平均電流。
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| 圖3 數位電源控制器在12V、2A平均輸出電流應用中的輸出情況。 |
總而言之，系統設計工程師需要敏銳地知道他們如何基於實際的系統要求來定義、選擇並設計所需的離線式電源，在最大程度上節省成本，而數控電路(圖4)在峰值功率控制方面具有快速、簡單的特點，是安全和可靠方案。
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| 圖4 數位控制器功能區塊示意圖 |
(本文作者為Dialog電源轉換事業部門市場行銷部副總裁)