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(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(shí)上，就工作時(shí)的損耗來說,，主要包括兩個(gè)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：
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)地可以采用谷底開關(guān)技術(shù),。
而就待機(jī)模式而言，一個(gè)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(shí)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(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(shí)，這個(gè)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(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(shí)頻率反走技術(shù)和跳周期模式,，降低輕載時(shí)的開關(guān)頻率，從而提升能效,；同時(shí),，開關(guān)頻率在25 kHz時(shí)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(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)功率等級常見采用反激轉(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(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(jì)算出初級峰值電流,，然后計(jì)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(jì)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(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(jì)
磁性元件磁通密度應(yīng)該以峰值電流來設(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)及氣隙長度等計(jì)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(jì)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(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關(guān)環(huán)路的面積均應(yīng)較小，以兩個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)世界中的能效測試結(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)換器來滿足“能源之星”能效規(guī)范要求,?；贜CP1237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(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,。
參考資料：
1,、《功率低于75 W、待機(jī)能耗極低的固定頻率適配器設(shè)計(jì)及應(yīng)用》,，www.onsemi.com/pub/Collateral/ADAP1%20-%20Fixed%20Frequency%20Adapter%20with%20Very%20Low%20Power%20Consumption%20-%20bilingual.rev0.pdf,，安森美半導(dǎo)體
2、Design and Implementation of a Fixed-Frequency Adapter with Very Low Power Consumption,，www.onsemi.com/pub/Collateral/TND376-D.PDF,，安森美半導(dǎo)體
3、www.psma.com,，電源制造商協(xié)會能效數(shù)據(jù)庫