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??? 電源是電子系統(tǒng)中必不可少的組件,。除了電視和計算機等產(chǎn)品中所使用的內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換器,，外部電源適配器也廣泛應用于手機、DSL調(diào)制解調(diào)器,、打印機,、筆記本電腦及游戲機等領域,，以至于一個普通家庭可能就會擁有少則三五個,、多則逾十個的電源適配器,。這些適配器的應用規(guī)模非常龐大,，而且其功率消耗又在一定程度上與用戶的使用習慣密切相關,。例如，許多用戶在將電源適配器(或稱充電器)從應用端(如筆記本電腦)撥出后,，仍將插頭插在墻式插座上,，使其在不使用的情況下仍然消耗電流。
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??? 因此,，電源適配器的工作能效及待機能耗成為美國環(huán)保署(EPA)“能源之星”等規(guī)范瞄準改善的目標。2008年11月開始生效的“能源之星”外部電源(EPS) 2.0版規(guī)范(簡稱EPA 2.0)就在1.1版基礎上提高了要求,，如表1所示(Ln為額定輸出功率的自然對數(shù)),。例如，額定功率大于49 W的外部電源在標準工作模式的能效基準要求從0.84提到0.870,，而交流-直流(AC-DC) EPS最大空載待機能耗也大幅降低,。??????????????????????
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??? 不同適配器的功率等級相關較大，如手機充電器的功率低至5 W,，而游戲機適配器功率則可達250 W,。根據(jù)IEC61000-3-2等標準的要求，功率大于75 W的電源應用需要增加功率因數(shù)校正(PFC),，低于75 W則無此要求。因此，我們就以75 W為界線,，分別著重討論功率低于75 W適配器和高于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體高性能、高能效控制器示例,。
功率低于75 W的適配器特性及控制器解決方案
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??? 對于功率低于75 W的適配器而言,，在工作能效提升方面，首先就需要考慮其損耗來源,。事實上,，其損耗主要包括兩個方面，分別是開關損耗和門電荷(Qgate)損耗,，這兩類損耗分別可以用等式(1)和等式(2)來量化：
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???????????????????????? ???等式(1)
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??????????????????????????????????????? 等式(2)
??? 從這兩個等式中可以看出,，要提升能效，可以從開關頻率(FSW)及關閉時的漏極電壓(VDRAIN(turn-off))著手,，即要降低開關頻率,，特別是在輕載時可以采用頻率反走技術(shù)來實現(xiàn)；而通過采用谷底開關(valley switching)技術(shù),，也可以降低關閉時的漏極電壓,。
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??? 而在降低空載能耗方面，可以首先分析出空載損耗主要在于啟動電路中的靜態(tài)損耗,，即在空載條件下,，啟動電阻仍會持續(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外部啟動電阻、采用關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,。
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圖1：NCP1237/38/87/88在輕載時采用頻率反走技術(shù)降低開關損耗
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??? 從所測得的實際案例工作能效來看,，NCP1237/38/87/88系列固定頻率控制器與前一代產(chǎn)品NCP1271在額定輸出功率的100%(65 W)、75%(49 W),、50%(32 W)和25%(16 W)條件下,，在115 Vac及230 Vac電壓時的能效總體更優(yōu)，其中在230 Vac條件時平均能效高達87.7%,。在輕載及空載能耗方面,，以NCP1237為例，與前一代產(chǎn)品NCP1027相比,，在10.7 W,、1.3 W、0.5 W輕載及0 W空載條件下,，在115 Vac及230 Vac電壓時能耗下降了10 mW到710 mW不等,，其中這兩種輸入電壓條件下的空載能耗分別僅為71 mW和97 mW。這些能效及能耗測試數(shù)值均滿足并超越EPA 2.0規(guī)范要求,。
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??? 除了提供滿足最新能效及能耗要求的特性,，NCP1237/38/87/88還具有多種保護特性，如輸入欠壓和主電源過壓保護,、可調(diào)節(jié)過功率保護,、嚴苛故障條件下的閂鎖保護，并提供雙路過流保護選項,。這些器件工作電壓可達30 V,，采用SOIC-7封裝，并均可根據(jù)不同終端應用要求提供A,、B版本的選擇,，適合于筆記本、LCD顯示器,、打印機和游戲機以及DVD和機頂盒(STB)等應用,。
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??? 另一系列的NCP1379/80新器件屬于谷底開關控制器，具有極低啟動電流和頻率反走等特性,，同樣滿足降低空載能耗和提升工作能效要求,。就其頻率反走特性而言，當反饋電壓(VFB)低于0.8 V(輸出功率POUT下降)或反饋電壓低于1.6 V(輸出功率上升)時,，就發(fā)生頻率反走,。值得一提的是,，NCP1379/80能夠提升所有負載等級時的能效(即不限于輕載能效)，并將待機和空載能耗降至極低水平,，如表2所示,。
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表2：NCP1380谷底開關控制器的工作能效及待機能耗(a、工作能效,；b、輕載及空載能耗)
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??? 綜上所述,，可以采用安森美半導體支持輕載時頻率反走的兩系列新控制器,，來滿足并超越“能源之星”等適配器的87%最低工作能效要求，而且即便在有啟動電阻的情況下,，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)范所要求的低于0.3 W的空載能耗,。
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功率高于75 W的適配器特性及控制器解決方案
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??? 對于功率大于75 W的適配器而言，以筆記本應用為例,，常見額定功率包括75 W,、90 W和120 W等，其中以用于90 W平臺的批量最大,，所以我們將重點圍繞90 W應用來探討,。
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??? 如前所述，一旦功率大于75 W,，除了滿足上述工作能效及空載能耗要求外,，電路中還面臨著加入PFC的要求，這在改善功率因數(shù),、使電網(wǎng)電能得到更高效利用的同時,，也會使得電路結(jié)構(gòu)更為復雜。在這類應用中,，傳統(tǒng)電源架構(gòu)是PFC+PWM的兩段式架構(gòu),，即在非連續(xù)導電模式(DCM)或臨界導電模式(CrM)段后跟隨著準諧振反激段，每個段都使用一個控制器,，如圖2(a)所示,。
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??? 與這種兩段式架構(gòu)不同，近年來涌現(xiàn)出一種新穎的單段式PFC架構(gòu),，如安森美半導體新推的一款組合控制器NCP1901,。它在單顆IC中結(jié)合了CrM PFC和半橋諧振轉(zhuǎn)換段，能夠提供實現(xiàn)高能效,、小外形因數(shù)筆記本適配器所需的全部功能,，如圖2(b)所示。這種架構(gòu)使用的元器件數(shù)量更少,，為兩段式架構(gòu)提供了良好的替代選擇,。??
?? 圖2：傳統(tǒng)兩段式架構(gòu)(a)與新穎的單段式架構(gòu)(b)對比
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??? NCP1901半橋諧振段工作在固定的頻率和占空比,，從而降低開關損耗。這器件通過調(diào)制半橋電源段實現(xiàn)穩(wěn)壓,，而其在初級端的穩(wěn)壓消除了反饋環(huán)路,，簡化了電路。安森美半導體并基于NCP1901推出新的90 W筆記本適配器參考設計,，如圖3所示,。這參考設計在115 Vac和230 Vac輸入條件下測得的工作能效分別為89.4%和90.9%，115 Vac條件下的空載能耗為420 mW,，且符合IEC61000-3-2要求的EPA 2.0規(guī)范對功率因數(shù)的要求(即115 Vac條件下功率因數(shù)不低于0.9),，以及EPA 2.0對工作能效的要求。
圖3：安森美半導體基于NCP1901組合控制器的90 W筆記本適配器參考設計
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??? 值得一提的是,，這高能效90 W筆記本適配器參考設計可以采用極小的散熱片,，且高底很低，可用于實現(xiàn)外形因數(shù)更小的適配器解決方案,。
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總結(jié)：
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??? 最新實現(xiàn)的“能源之星”外部電源規(guī)范對電源適配器的工作能效,、空載能耗等提出了更高的要求。本文分別基于低于75 W應用及高于75 W需要PFC的應用,，分析了電源控制器實現(xiàn)這些規(guī)范所需要具備的特性,，特別是采用安森美半導體NCP1237/38/87/88系列固定頻率控制器、NCP1379/80系列谷底開關控制器和NCP1901組合式控制器所能實現(xiàn)的工作能效提升,、輕載及空載能耗降低效果,，并提供相關的測試數(shù)據(jù)予以佐證?？蛻舨捎冒采腊雽w的這些器件及相關GreenPointTM參考設計,，能夠滿足最新規(guī)范要求，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,，并加快上市進程,。
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