極低待機(jī)功耗適配器的設(shè)計及應(yīng)用

電源適配器廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、游戲機(jī)、打印機(jī)、DSL調(diào)制解調(diào)器和手機(jī)等領(lǐng)域，應(yīng)用規(guī)模非常龐大。而從人們的使用習(xí)慣來看，這些設(shè)備也有相當(dāng)比例的時間處于輕載或待機(jī)(空載)工作模式。因此，“能源之星”等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在致力于提升這些設(shè)備所用電源適配器工作能效的同時，也注重提升輕載能效及降低待機(jī)能耗。

例如，美國環(huán)保署(EPA) 2.0版“能源之星”外部電源規(guī)范(簡稱EPA 2.0)在1.1版基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了能效要求(見表1)，其中Ln為額定輸出功率的自然對數(shù)。

表1：美國環(huán)保署“能源之星”外部電源的1.1及2.0版規(guī)范。

不同適配器的功率等級相差較大，而根據(jù)IEC61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)的要求，功率大于75 W的電源需要增加功率因數(shù)校正(PFC)，低于75 W則無此要求。本文著重討論功率低于75 W適配器滿足EPA 2.0新規(guī)范所需要的特性，以及能夠提供這些所需特性的安森美半導(dǎo)體高性能、高能效控制器。

滿足能效規(guī)范的途徑

要滿足上述規(guī)范對外部電源工作能效及待機(jī)能耗的要求，我們首先需要分析清楚損耗的來源。事實上，就工作時的損耗來說，主要包括兩個方面，分別是開關(guān)損耗和由泄漏電感導(dǎo)致的損耗，這兩類損耗分別可以用等式(1)和等式(2)來量化：

等式(1)

等式(2)

從這兩個等式中可以看出，要提升工作能效，有兩種途徑：一是降低開關(guān)頻率(FSW)，即在輕載時采用頻率反走技術(shù)；二是降低關(guān)閉時的漏極電壓(VDRAIN(turn-off))，相應(yīng)地可以采用谷底開關(guān)技術(shù)。

而就待機(jī)模式而言，一個重要的損耗來源于啟動電路的靜態(tài)損耗，即啟動電阻持續(xù)地從大電容消耗電流，造成功率損耗。而降低啟動電路損耗的途徑有多種，如采用具有極低啟動電流的控制器、采用關(guān)斷時泄漏電流極低的集成啟動電流源，以及連接啟動電路至半波整流交流輸入等。

NCP1237/38/87/88控制器的關(guān)鍵特性

NCP1237、NCP1238、NCP1287和NCP1288是安森美半導(dǎo)體推出的新一代固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)控制器，用于需要高性價比、可靠性、設(shè)計靈活性和低待機(jī)能耗的應(yīng)用，如筆記本、LCD顯示器、游戲機(jī)和打印機(jī)的交流-直流(AC-DC)適配器，以及DVD和機(jī)頂盒(STB)等消費(fèi)電子應(yīng)用。

這系列器件包含一系列關(guān)鍵特性，幫助提升適配器的能效及降低待機(jī)能耗。例如，一般控制器需要啟動電阻來從整流交流線路電壓啟動控制器，而在正常工作期間，這啟動電阻還持續(xù)消耗功率。相比較而言，NCP1237/38/87/88系列控制器內(nèi)置啟動場效應(yīng)管(FET)，這FET用作高壓電流源。輸入交流電壓施加在適配器上時，這個電流源為控制器的VCC電容供電。這種高壓啟動電路在正常工作條件下關(guān)閉(這時由反激輔助繞組提供偏置電壓以省電)，消耗的功率極低；同時，控制器無需啟動電阻(參見圖1)，幫助降低待機(jī)能耗，減少元件數(shù)量及節(jié)省電路板空間。

圖1：帶啟動電阻與不帶啟動電阻(內(nèi)置電壓啟動電流源)對比。

這系列控制器還采用輕載時頻率反走技術(shù)和跳周期模式，降低輕載時的開關(guān)頻率，從而提升能效；同時，開關(guān)頻率在25 kHz時鉗位，從而消除可聽噪聲。此外，這系列器件提供多種保護(hù)特性，如雙啟動電流電平、輸入欠壓及主電源過壓保護(hù)、過載保護(hù)、雙過渡保護(hù)閾值、軟啟動和閂鎖保護(hù)等。這系列器件還提供可選的動態(tài)自供電(DSS)功能，從而無需輔助繞組； 并內(nèi)置斜坡補(bǔ)償，不需要外部設(shè)定。以NCP1238為例，這器件的典型應(yīng)用電路圖如圖2所示。

圖2：NCP1238典型應(yīng)用電路圖。

應(yīng)用設(shè)計步驟及要點

1) 電源段設(shè)計

要在設(shè)計中應(yīng)用NCP1237/38/87/88系列控制器，首先要設(shè)計電源段。由于功率小于75 W，這個功率等級常見采用反激轉(zhuǎn)換器。相應(yīng)地，需要計算出這反激轉(zhuǎn)換器相關(guān)元件參數(shù)，選擇好恰當(dāng)?shù)?a target="_blank">元器件。例如，根據(jù)輸出電壓和輸出電流可以計算出輸出功率，再根據(jù)EPA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)估能效，結(jié)合輸出功率和能效來預(yù)估輸入功率，隨后可以計算出平均輸入電流，并計算出大電容值。有關(guān)電源段設(shè)計中電容、變壓器、電感和MOSFET等參數(shù)的詳細(xì)計算過程，參見參考資料(1)或(2)。

值得一提的是，在電源的次級端，可以考慮采用同步整流技術(shù)來顯著提升能效。在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NCP4302同步整流控制器。諸如適配器、充電器和機(jī)頂盒等空間敏感型反激應(yīng)用中使用NCP4302這樣的同步整流控制器，能夠顯著提升能效，而額外成本極低。NCP4302已經(jīng)上市，新的NCP4303同步整流控制器也將于2010年上市。

2) 設(shè)定過載補(bǔ)償

過載補(bǔ)償(OPP)會影響初級峰值電流。我們可以根據(jù)相關(guān)公式計算出初級峰值電流，然后計算出過載補(bǔ)償電阻值(ROPP)。安森美半導(dǎo)體已經(jīng)創(chuàng)建過載補(bǔ)償電子設(shè)計表格，方便用戶恰當(dāng)?shù)剡x擇ROPP及其對峰值電流(Ipeak)、瞬態(tài)電流(ITRAN)、輸出功率(Pout)及瞬態(tài)功率(PTRAN)的影響。

3) 降低空載輸入能耗

在降低空載(待機(jī))輸入能耗方面，除了采用前述內(nèi)置啟動高壓電流源的無啟動電阻設(shè)計和NCP1237/38/87/88這樣的帶有頻率反走及跳周期模式的控制器，還可以采取其它眾多途徑或訣竅，如降低變壓器泄漏電感、不允許動態(tài)自供電工作、減小VCC鉗位電阻值、降低開關(guān)損耗、優(yōu)化鉗位電路、藉反饋電阻分壓器減小渦流、為所有負(fù)載電流設(shè)定穩(wěn)定的工作、降低TL431偏置電路損耗、降低次級整流器及其緩沖器的損耗和不使用輸出電壓顯示LED等。

4) 磁學(xué)設(shè)計

磁性元件磁通密度應(yīng)該以峰值電流來設(shè)計，并提供一些裕量(5%)，從而防止飽和。另外，需要結(jié)合具體設(shè)計要求看是否需要100%的輸出電流，若不是，就減小磁芯尺寸。例如，假定最大輸出電流是3.5 A，但只在瞬態(tài)條件下需要這大電流，其長期的均方根(RMS)值僅1.75 A，負(fù)載系數(shù)僅為0.5(而非1)。設(shè)計人員減小磁芯尺寸后，就可以減小磁芯及銅損耗。變壓器磁芯尺寸、繞組設(shè)計及氣隙長度等計算同樣參見參考資料(1)或(2)。

5) 改善電磁干擾

在適配器設(shè)計中，交流線路濾波、二極管緩沖器、直流輸出濾波器、驅(qū)動器鉗位、鉗位環(huán)路和電源開關(guān)環(huán)路等可能會出現(xiàn)電磁干擾(EMI)，故改善EMI同樣是設(shè)計工程師面臨的重要任務(wù)。相應(yīng)地可以采取一些設(shè)計技巧或方法，如所有帶射頻電流的開關(guān)環(huán)路的面積均應(yīng)較小，以兩個扼流圈來分隔輸入交流濾波器從而減小寄生電容耦合影響，以及關(guān)閉通過變壓器注入射頻電流的電路環(huán)路等。就二極管緩沖器而言，緩沖器電阻應(yīng)當(dāng)接近振鈴電路的特征阻抗，且緩沖器的RC(電阻電容)時間常數(shù)應(yīng)當(dāng)相對于開關(guān)周期較小，但與電壓上升時間相比應(yīng)當(dāng)較長。還可從電路板布線方面著手，，進(jìn)一步改善EMI。

典型65 W筆記本適配器演示板能效測試結(jié)果

安森美半導(dǎo)體基于NCP1237控制器構(gòu)建了一款典型65 W筆記本適配器(輸出電壓為19 V)的演示板，并針對EPS 2.0版規(guī)范優(yōu)化。相關(guān)能效測試結(jié)果見表2。

表2：基于NCP1237的65 W筆記本適配器工作能效及待機(jī)能耗測試結(jié)果。

需要指出的是，這能效測試結(jié)果是在長度為1.05米、銅截面積為0.75平方毫米的直流線纜上所測得的，更接近于真實世界中的能效測試結(jié)果。這演示板在115 Vac時的平均能效高達(dá)87.32，230 Vac時平均能效也達(dá)87.21%，均符合EPA 2.0工作模式的能效要求。從表2右側(cè)可以看出，這演示板在極輕載時也具有很高能效，且在空載(待機(jī))模式下的能耗遠(yuǎn)優(yōu)EPA 2.0不高于0.5 W的規(guī)范要求。

總結(jié)

“能源之星”2.0版外部電源規(guī)范對筆記本、LCD顯示器、打印機(jī)和機(jī)頂盒等應(yīng)用的工作能效和待機(jī)能耗提出了更高的要求。安森美半導(dǎo)體新的NCP1237/38/87/88系列控制器帶輕載時頻率反走和跳周期等重要功能，設(shè)計工程師能夠采用以基于這系列控制器的經(jīng)典反激轉(zhuǎn)換器來滿足“能源之星”能效規(guī)范要求。基于NCP1237的65 W適配器演示板能效測試結(jié)果顯示，平均能效高于87%，并有可能提供低于300 mW的空載(待機(jī))能耗，且在整個電源設(shè)計中盡力減少功率浪費(fèi)的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)低于100 mW的空載能耗，滿足并超越“能源之星”的要求。