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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(jì)算機(jī)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(yīng)用于手機(jī),、DSL調(diào)制解調(diào)器,、打印機(jī)、筆記本電腦及游戲機(jī)等領(lǐng)域,，以至于一個(gè)普通家庭可能就會(huì)擁有少則三五個(gè),、多則逾十個(gè)的電源適配器。這些適配器的應(yīng)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(xí)慣密切相關(guān),。例如，許多用戶在將電源適配器(或稱充電器)從應(yīng)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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?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,。?????

??? 因此,，電源適配器的工作能效及待機(jī)能耗成為美國(guó)環(huán)保署(EPA)“能源之星”等規(guī)范瞄準(zhǔn)改善的目標(biāo)。2008年11月開(kāi)始生效的“能源之星”外部電源(EPS) 2.0版規(guī)范(簡(jiǎn)稱EPA 2.0)就在1.1版基礎(chǔ)上提高了要求,，如表1所示(L_n為額定輸出功率的自然對(duì)數(shù)),。例如,，額定功率大于49 W的外部電源在標(biāo)準(zhǔn)工作模式的能效基準(zhǔn)要求從0.84提到0.870，而交流-直流(AC-DC) EPS最大空載待機(jī)能耗也大幅降低,。??????????????????????

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??? 不同適配器的功率等級(jí)相關(guān)較大,，如手機(jī)充電器的功率低至5 W，而游戲機(jī)適配器功率則可達(dá)250 W,。根據(jù)IEC61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)的要求,，功率大于75 W的電源應(yīng)用需要增加功率因數(shù)校正(PFC)，低于75 W則無(wú)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(dǎo)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(duì)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(lái)源。事實(shí)上,，其損耗主要包括兩個(gè)方面,，分別是開(kāi)關(guān)損耗和門(mén)電荷(Q_gate)損耗，這兩類損耗分別可以用等式(1)和等式(2)來(lái)量化：

????????????????????????????? ???等式(1)

????????????????????????????????????????????????? 等式(2)

??? 從這兩個(gè)等式中可以看出,，要提升能效,，可以從開(kāi)關(guān)頻率(F_SW)及關(guān)閉時(shí)的漏極電壓(V_{DRAIN(turn-off)})著手，即要降低開(kāi)關(guān)頻率,，特別是在輕載時(shí)可以采用頻率反走技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),；而通過(guò)采用谷底開(kāi)關(guān)(valley switching)技術(shù)，也可以降低關(guān)閉時(shí)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(dòng)電路中的靜態(tài)損耗，即在空載條件下,，啟動(dòng)電阻仍會(huì)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)電流的外部啟動(dòng)電阻,、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,。

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??? 作為全球領(lǐng)先的高性能,、高能效硅解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體提供兩種新系列的控制器，提供滿足上述適配器工作能效提升及空載能耗降低要求的特性,。其中一系列控制器是NCP1237,、NCP1238、NCP1287和NCP1288,，另一系列是NCP1379和NCP1380。其中,，就NCP12xx系列的這四款新器件而言,，它們屬于固定頻率控制器，帶集成啟動(dòng)電流源,，有助于降低空載輸入功率(即空載能耗),；并采用頻率反走技術(shù)和跳周期模式，幫助降低輕載時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗及門(mén)電荷損耗,，從而提升適配器工作能效,。這幾款器件的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)在25 kHz時(shí)鉗位，從而消除可聽(tīng)噪聲問(wèn)題,。

圖1：NCP1237/38/87/88在輕載時(shí)采用頻率反走技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗

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??? 從所測(cè)得的實(shí)際案例工作能效來(lái)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(shí)的能效總體更優(yōu)，其中在230 Vac條件時(shí)平均能效高達(dá)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(shí)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(cè)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(hù)特性，如輸入欠壓和主電源過(guò)壓保護(hù),、可調(diào)節(jié)過(guò)功率保護(hù),、嚴(yán)苛故障條件下的閂鎖保護(hù)，并提供雙路過(guò)流保護(hù)選項(xiàng),。這些器件工作電壓可達(dá)30 V,，采用SOIC-7封裝，并均可根據(jù)不同終端應(yīng)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(jī)和游戲機(jī)以及DVD和機(jī)頂盒(STB)等應(yīng)用,。

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??? 另一系列的NCP1379/80新器件屬于谷底開(kāi)關(guān)控制器,，具有極低啟動(dòng)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(dāng)反饋電壓(V_FB)低于0.8 V(輸出功率P_OUT下降)或反饋電壓低于1.6 V(輸出功率上升)時(shí)，就發(fā)生頻率反走,。值得一提的是,，NCP1379/80能夠提升所有負(fù)載等級(jí)時(shí)的能效(即不限于輕載能效)，并將待機(jī)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(kāi)關(guān)控制器的工作能效及待機(jī)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(dǎo)體支持輕載時(shí)頻率反走的兩系列新控制器,，來(lái)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(dòng)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(duì)于功率大于75 W的適配器而言,，以筆記本應(yīng)用為例，常見(jiàn)額定功率包括75 W,、90 W和120 W等,，其中以用于90 W平臺(tái)的批量最大，所以我們將重點(diǎn)圍繞90 W應(yīng)用來(lái)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(shí),，也會(huì)使得電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,。在這類應(yīng)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(dǎo)電模式(DCM)或臨界導(dǎo)電模式(CrM)段后跟隨著準(zhǔn)諧振反激段,，每個(gè)段都使用一個(gè)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(lái)涌現(xiàn)出一種新穎的單段式PFC架構(gòu),，如安森美半導(dǎo)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(shí)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(duì)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(kāi)關(guān)損耗。這器件通過(guò)調(diào)制半橋電源段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,，而其在初級(jí)端的穩(wěn)壓消除了反饋環(huán)路,，簡(jiǎn)化了電路。安森美半導(dǎo)體并基于NCP1901推出新的90 W筆記本適配器參考設(shè)計(jì),，如圖3所示,。這參考設(shè)計(jì)在115 Vac和230 Vac輸入條件下測(cè)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(duì)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(duì)工作能效的要求。

圖3：安森美半導(dǎo)體基于NCP1901組合控制器的90 W筆記本適配器參考設(shè)計(jì)

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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(shè)計(jì)可以采用極小的散熱片,，且高底很低，可用于實(shí)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(shí)現(xiàn)的“能源之星”外部電源規(guī)范對(duì)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(yīng)用及高于75 W需要PFC的應(yīng)用,，分析了電源控制器實(shí)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(dǎo)體NCP1237/38/87/88系列固定頻率控制器、NCP1379/80系列谷底開(kāi)關(guān)控制器和NCP1901組合式控制器所能實(shí)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(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)予以佐證?？蛻舨捎冒采腊雽?dǎo)體的這些器件及相關(guān)GreenPoint^TM參考設(shè)計(jì),，能夠滿足最新規(guī)范要求，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,，并加快上市進(jìn)程,。

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