功率小于75 W的極低待機(jī)功耗適配器設(shè)計(jì)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(lái)看，這些設(shè)備也有相當(dāng)比例的時(shí)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(shí)，也注重提升輕載能效及降低待機(jī)能耗。

例如，美國(guó)環(huán)保署(EPA) 2.0版“能源之星”外部電源規(guī)范(簡(jiǎn)稱EPA 2.0)在1.1版基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了能效要求(見(jiàn)表1)，其中Ln為額定輸出功率的自然對(duì)數(shù)。

表1：美國(guó)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(jí)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(wú)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(duì)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(lái)源。事實(shí)上，就工作時(shí)的損耗來(lái)說(shuō)，主要包括兩個(gè)方面，分別是開(kāi)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(lái)量化：

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

而就待機(jī)模式而言，一個(gè)重要的損耗來(lái)源于啟動(dòng)電路的靜態(tài)損耗，即啟動(dòng)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(dòng)電路損耗的途徑有多種，如采用具有極低啟動(dòng)電流的控制器、采用關(guān)斷時(shí)泄漏電流極低的集成啟動(dòng)電流源，以及連接啟動(dòng)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(jià)比、可靠性、設(shè)計(jì)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(dòng)電阻來(lái)從整流交流線路電壓?jiǎn)?dòng)控制器，而在正常工作期間，這啟動(dòng)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(dòng)場(chǎng)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(shí)，這個(gè)電流源為控制器的VCC電容供電。這種高壓?jiǎn)?dòng)電路在正常工作條件下關(guān)閉(這時(shí)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(shí)，控制器無(wú)需啟動(dòng)電阻(參見(jiàn)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(dòng)電阻與不帶啟動(dòng)電阻(內(nèi)置電壓?jiǎn)?dòng)電流源)對(duì)比。

這系列控制器還采用輕載時(shí)頻率反走技術(shù)和跳周期模式，降低輕載時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率，從而提升能效；同時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率在25 kHz時(shí)鉗位，從而消除可聽(tīng)噪聲。此外，這系列器件提供多種保護(hù)特性，如雙啟動(dòng)電流電平、輸入欠壓及主電源過(guò)壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、雙過(guò)渡保護(hù)閾值、軟啟動(dòng)和閂鎖保護(hù)等。這系列器件還提供可選的動(dòng)態(tài)自供電(DSS)功能，從而無(wú)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(jì)步驟及要點(diǎn)
1) 電源段設(shè)計(jì)
要在設(shè)計(jì)中應(yīng)用NCP1237/38/87/88系列控制器，首先要設(shè)計(jì)電源段。由于功率小于75 W，這個(gè)功率等級(jí)常見(jiàn)采用反激轉(zhuǎn)換器。相應(yīng)地，需要計(jì)算出這反激轉(zhuǎn)換器相關(guān)元件參數(shù)，選擇好恰當(dāng)?shù)脑骷?。例如，根?jù)輸出電壓和輸出電流可以計(jì)算出輸出功率，再根據(jù)EPA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)預(yù)估能效，結(jié)合輸出功率和能效來(lái)預(yù)估輸入功率，隨后可以計(jì)算出平均輸入電流，并計(jì)算出大電容值。有關(guān)電源段設(shè)計(jì)中電容、變壓器、電感和MOSFET等參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程，參見(jiàn)參考資料(1)或(2)。[!--empirenews.page--]

值得一提的是，在電源的次級(jí)端，可以考慮采用同步整流技術(shù)來(lái)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(guò)載補(bǔ)償
過(guò)載補(bǔ)償(OPP)會(huì)影響初級(jí)峰值電流。我們可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出初級(jí)峰值電流，然后計(jì)算出過(guò)載補(bǔ)償電阻值(ROPP)。安森美半導(dǎo)體已經(jīng)創(chuàng)建過(guò)載補(bǔ)償電子設(shè)計(jì)表格，方便用戶恰當(dāng)?shù)剡x擇ROPP及其對(duì)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(dòng)高壓電流源的無(wú)啟動(dòng)電阻設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)自供電工作、減小VCC鉗位電阻值、降低開(kāi)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(jí)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(jì)
磁性元件磁通密度應(yīng)該以峰值電流來(lái)設(shè)計(jì)，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(jì)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(zhǎng)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(jì)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(jì)及氣隙長(zhǎng)度等計(jì)算同樣參見(jiàn)參考資料(1)或(2)。
 
5) 改善電磁干擾
在適配器設(shè)計(jì)中，交流線路濾波、二極管緩沖器、直流輸出濾波器、驅(qū)動(dòng)器鉗位、鉗位環(huán)路和電源開(kāi)關(guān)環(huán)路等可能會(huì)出現(xiàn)電磁干擾(EMI)，故改善EMI同樣是設(shè)計(jì)工程師面臨的重要任務(wù)。相應(yīng)地可以采取一些設(shè)計(jì)技巧或方法，如所有帶射頻電流的開(kāi)關(guān)環(huán)路的面積均應(yīng)較小，以兩個(gè)扼流圈來(lái)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(guò)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(shí)間常數(shù)應(yīng)當(dāng)相對(duì)于開(kāi)關(guān)周期較小，但與電壓上升時(shí)間相比應(yīng)當(dāng)較長(zhǎng)。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(cè)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(duì)EPS 2.0版規(guī)范優(yōu)化。相關(guān)能效測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(cè)試結(jié)果。

需要指出的是，這能效測(cè)試結(jié)果是在長(zhǎng)度為1.05米、銅截面積為0.75平方毫米的直流線纜上所測(cè)得的，更接近于真實(shí)世界中的能效測(cè)試結(jié)果。這演示板在115 Vac時(shí)的平均能效高達(dá)87.32，230 Vac時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)頻率反走和跳周期等重要功能，設(shè)計(jì)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(lái)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(cè)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(gè)電源設(shè)計(jì)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。