由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開(kāi)關(guān)電源" title="開(kāi)關(guān)電源">開(kāi)關(guān)電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來(lái)越普及,。特別是隨著控制芯片的應(yīng)用,，開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)得到了極大的簡(jiǎn)化，往往只需要在脈寬調(diào)制" title="脈寬調(diào)制">脈寬調(diào)制(PWM)控制芯片的基礎(chǔ)上再加一些外圍器件即可組成開(kāi)關(guān)電源,，這更加促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和發(fā)展,。從種類(lèi)來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器和直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器兩大類(lèi)型,。前者是將輸入為50/60 Hz的交流電經(jīng)過(guò)整流,、濾波等步驟將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，后者廣泛用于對(duì)系統(tǒng)中的直流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分配,。
　　
　　根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,，DC-DC轉(zhuǎn)換器包括降壓(Buck)、升壓(Boost),、降壓-升壓(Buck-Boost),、反激(Flyback)、正激(Forward),、推挽(Push-Pull),、半橋(HB)和全橋(FB)等不同類(lèi)型。不同類(lèi)型DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)各不相同,，并且往往有著不同的適用領(lǐng)域,。例如，降壓,、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器非常適合于無(wú)需電氣隔離的低壓控制應(yīng)用,，而反激式轉(zhuǎn)換器則非常適合多輸出、高電壓的電源應(yīng)用,，這些應(yīng)用中使用的離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源工作在110 V/220 V主電源,，并通過(guò)使用變壓器來(lái)取代濾波電感從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
　　
　　對(duì)于離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源而言,，低成本是它的一個(gè)重要目標(biāo),。對(duì)于其中所用的PWM控制器而言，設(shè)計(jì)人員可以選擇不同的架構(gòu),，如固定頻率(FF)和準(zhǔn)諧振(QR)等,。對(duì)于前者而言,，它的開(kāi)關(guān)頻率固定，其輕載能效" title="能效">能效和滿(mǎn)載能效都處于正常范圍,，工作模式方面可以是連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)或非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM),。對(duì)于后者而言,，它的開(kāi)關(guān)頻率可變,，其滿(mǎn)載能效最佳，但在輕載時(shí)則由于谷底跳變問(wèn)題(噪聲),，它的工作模式是邊界導(dǎo)電模式(BCM,，亦稱(chēng)臨界導(dǎo)電模式，CRM),。在變壓器尺寸方面,，固定開(kāi)關(guān)頻率架構(gòu)屬于正常，而準(zhǔn)諧振架構(gòu)則較大,；但準(zhǔn)諧振架構(gòu)的電磁干擾較小,，而固定開(kāi)關(guān)頻率架構(gòu)則較大。對(duì)于這兩種架構(gòu)而言,，都面臨著相同的問(wèn)題,，就是必須提升在更寬輸入負(fù)載范圍下的能效，并改善待機(jī)能效,。
　　
　　除了這兩種架構(gòu),，固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)架構(gòu)近年來(lái)越來(lái)越多地受到業(yè)界矚目。在這種架構(gòu)下,，峰值電流保持恒定,，且可由用戶(hù)選擇；而開(kāi)關(guān)頻率則會(huì)變化(改變關(guān)閉時(shí)間),，以提供所需的輸出功率,，它在頻率最高時(shí)提供的輸出功率也就最大。FON的工作原理如圖1所示,。

圖1：固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)架構(gòu)的工作原理

　　與固定開(kāi)關(guān)頻率架構(gòu)一樣,，固定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)也支持CCM和DCM這兩種工作模式。它在這兩種模式下的輸出功率計(jì)算公式如下圖所示,。如上所述,，峰值電流Ipeak通過(guò)控制器來(lái)保持恒定，開(kāi)關(guān)頻率Fsw則由反饋回路進(jìn)行控制,，而要適應(yīng)不同的輸出功率需求,，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)發(fā)生變化來(lái)滿(mǎn)足圖2中的等式。在缺少回路控制(短路,，啟動(dòng))時(shí),，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)被鉗位,。

圖2：FON控制器在不同工作模式下的輸出功率計(jì)算

　
　　在滿(mǎn)載條件下，開(kāi)關(guān)頻率則會(huì)增加,，直至其碰到時(shí)序電容Ct鉗位,。而在輕載條件下，峰值電流減小,，開(kāi)關(guān)頻率下降,，這就限制了可聽(tīng)噪聲的問(wèn)題。在輕載時(shí),，由于開(kāi)關(guān)頻率的下降,，與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的損耗，如功率MOSFET輸出電容Coss和門(mén)電荷損耗以及泄漏感抗損耗也會(huì)減少,。這樣一來(lái),，開(kāi)關(guān)電源在輕載條件下的能效也會(huì)提高。因此,，我們也可以得出結(jié)論,，固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)控制器可大幅提高開(kāi)關(guān)電源在輕載條件下的能效。圖3對(duì)不同PWM控制器架構(gòu)進(jìn)行了比較,。
 

圖3：反激開(kāi)關(guān)電源中PWM控制器所涉及的不同控制器架構(gòu)比較

　　瞄準(zhǔn)低功率反激開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的NCP1351固定導(dǎo)通時(shí)間控制器

　　NCP1351是安森美半導(dǎo)體近期推出的一款高性能固定峰值電流(準(zhǔn)固定導(dǎo)通時(shí)間),、可變關(guān)閉時(shí)間PWM控制器，瞄準(zhǔn)低功率反激式開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用,，典型的終端產(chǎn)品應(yīng)用包括輔助電源,、打印機(jī)、游戲機(jī),、低成本適配器和離線(xiàn)電池充電器等對(duì)成本非常敏感的應(yīng)用,。

　　NCP1351在負(fù)載降低時(shí)會(huì)降低開(kāi)關(guān)頻率，使得采用NCP1351的電源能夠提供卓越的空載能耗,，并在其它負(fù)載條件下優(yōu)化電源能效,。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率下降時(shí)，峰值電流會(huì)逐漸下降到最大峰值電流的大約30%,，因此可防止變壓器發(fā)生機(jī)械共振,，從而大幅消除了出現(xiàn)可聽(tīng)噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能維持良好的待機(jī)功率性能,。

　　NCP1351包括A,、B、C和D等四個(gè)不同版本,。NCP1351外圍可調(diào)節(jié)的定時(shí)器能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)反饋活動(dòng),，并在出現(xiàn)短路或過(guò)載的條件下保護(hù)電源。一旦定時(shí)器逾時(shí),，NCP1351會(huì)停止開(kāi)關(guān),，其中A版本會(huì)保持在閂鎖狀態(tài),，而B(niǎo)版本則會(huì)嘗試重啟。C版本和D版本則包含雙過(guò)流保護(hù)極限跳變點(diǎn)(trip point),，從而允許在打印機(jī)等會(huì)出現(xiàn)大瞬態(tài)功率現(xiàn)象的應(yīng)用使用這種控制器,。當(dāng)確認(rèn)出現(xiàn)故障時(shí)，C版本會(huì)進(jìn)行閂鎖而D版本則會(huì)自動(dòng)恢復(fù),。
 

　　NCP1351的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了優(yōu)化的安排,，它具有非常低的啟動(dòng)電流，而啟動(dòng)電流在設(shè)計(jì)低待機(jī)功率電源時(shí)是一項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù),。NCP1351的負(fù)電流感測(cè)技術(shù)可將控制器工作時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲影響降到最小,，并可供用戶(hù)選擇流經(jīng)電流感測(cè)電阻的最大峰值電壓,。因此,，它的功率耗散可針對(duì)具體應(yīng)用來(lái)優(yōu)化。此外,，降壓輸入紋波功能可確保自然的頻率拖尾,，使得電磁干擾(EMI)信號(hào)變得更平滑。
 

圖4：NCP1351的典型應(yīng)用電路圖

　
　　圖4顯示的是NCP1351的典型應(yīng)用電路圖,。NCP1351包含8個(gè)引腳,，如圖所示。其中,，1號(hào)引腳是FB引腳,，在此引腳注入電流，降低頻率,；2號(hào)引腳是時(shí)序電容Ct引腳,，負(fù)責(zé)在沒(méi)有反饋電流時(shí)設(shè)定最大開(kāi)關(guān)頻率；3號(hào)引腳Cs負(fù)責(zé)檢測(cè)初級(jí)端電流,；4號(hào)引腳為接地引腳,；5號(hào)DRV引腳驅(qū)動(dòng)脈沖至功率MOSFET；6號(hào)引腳是Vcc引腳,，為控制器提供最高可達(dá)28 V的電壓,；7號(hào)引腳為閂鎖引腳，在此引腳高于5 V的正電壓完全閂鎖控制器,；8號(hào)引腳為定時(shí)器引腳,，設(shè)定故障確認(rèn)前的持續(xù)時(shí)間。

　　基于NCP1351的GreenPointTM 40 W打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)
　　
　　如上所述,，NCP1351控制器非常適合打印機(jī)電源等應(yīng)用,。安森美半導(dǎo)體針對(duì)NCP1351提供了豐富的設(shè)計(jì)資源，包括《40瓦打印機(jī)電源設(shè)計(jì)AND8278》,、《50瓦適配器電源設(shè)計(jì)AND8263》,、《12瓦適配器電源設(shè)計(jì)》,、《使用PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)建模》等應(yīng)用筆記,，以及“40瓦額定/80瓦峰值功率打印機(jī)電路板”和“57瓦適配器電路板”等評(píng)估板,。安森美半導(dǎo)體還提供GreenPointTM 40 W打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)。此外,，安森美半導(dǎo)體還提供一些設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具,，如NCP1351電感計(jì)算數(shù)據(jù)表，以及Spice模型(PSPICE和ISPICE)等仿真工具,。
　　
　　本文接下來(lái)具體就NCP1351在40 W打印機(jī)電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)展開(kāi)探討,，分析打印機(jī)電源當(dāng)今所面臨的要求，以及NCP1351如何滿(mǎn)足這些要求,。
　　
　　眾所周知,，隨著全球變暖成為一項(xiàng)日常話(huà)題以及石油價(jià)格的竄升，全世界都開(kāi)始明白當(dāng)前的能源使用方式不利于可持續(xù)發(fā)展,。世界各地圍繞著不同領(lǐng)域(如外部電源,、家用電器等)涌現(xiàn)了許多倡議行動(dòng)。由于應(yīng)用面非常廣泛且消耗的電量巨大,，打印機(jī)自然而然地成為政府機(jī)構(gòu)想要涉足的一個(gè)領(lǐng)域,，以此提高電源的能效。這些倡議項(xiàng)目及組織非常之多,，分布在日本,、韓國(guó)、德國(guó),、歐洲和美國(guó)等地,。在所在的標(biāo)準(zhǔn)倡議機(jī)構(gòu)中，“能源之星(Energy Star)”是其中一個(gè)相當(dāng)活躍的機(jī)構(gòu),，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)就影印設(shè)備規(guī)范展開(kāi)工作,。符合能源之星要求的打印機(jī)應(yīng)可在一段時(shí)間的不工作狀態(tài)后自動(dòng)進(jìn)入低功率的“休眠”模式。根據(jù)獨(dú)立打印機(jī)處理紙張尺寸和色彩能力的不同,，還有著不同的“能源之星”規(guī)范要求,。將打印機(jī)很大一部分時(shí)間保持在低功率的休眠模式不僅能夠節(jié)省電能，更可使打印設(shè)備工作時(shí)的溫度更低,，且耐用時(shí)間更長(zhǎng),。“能源之星”針對(duì)打印機(jī)等相關(guān)設(shè)備的1.0版規(guī)范已于2007年4月1日實(shí)施，第二階段的規(guī)范則將在2009年4月1日實(shí)施,。
　　
　　但問(wèn)題在于,，現(xiàn)有的打印機(jī)電源適配器很少能夠滿(mǎn)足當(dāng)前這些輕載條件下的能效要求和空載條件下的待機(jī)能耗要求，這還不說(shuō)更的嚴(yán)格要求正在涌現(xiàn),。此外,，打印機(jī)電源適配器的總成本也必須極低,，因?yàn)檫@是一個(gè)高度競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)。因此,，滿(mǎn)足這些能效和能耗要求,，同時(shí)還維持打印機(jī)電源適配器的可靠性和性能水準(zhǔn)就成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

圖5：基于NCP1351C的安森美半導(dǎo)體40 W GreenPointTM打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)

　
　　幸運(yùn)的是,，采用NCP1351C控制器可以滿(mǎn)足上述挑戰(zhàn),。受益于它的固定峰值電流/可變關(guān)閉時(shí)間架構(gòu)，采用NCP1351C的電源適配器在從額定負(fù)載到輕載條件(包括不同的打印機(jī)休眠模式)下都擁有較高的能效,，并擁有極低的空載能耗,。它在提供瞬態(tài)峰值功率的同時(shí)還提供多種有效的保護(hù)功能，如閂鎖過(guò)載,、短路和過(guò)壓保護(hù)等,。此外，與當(dāng)前高水準(zhǔn)的打印機(jī)電源適配器相比,，NCP1351C所具有的獨(dú)特架構(gòu)還使得采用它設(shè)計(jì)的打印機(jī)電源適配器所用的高壓輸入電容低1/3,，從而在提供相同性能條件下節(jié)省了方案成本和尺寸。圖5顯示的是基于NCP1351C的安森美半導(dǎo)體40 W GreenPointTM打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì),。該參考設(shè)計(jì)的規(guī)范如下所示：

輸入電壓：通用輸入85 Vac至265 Vac，47-63 Hz

電源輸出電壓：

32 V / 1 A

16 V / 0.625 A

峰值功率：

80 W (32 V / 2.5 A和16 V / 0 A ) 持續(xù)40 ms

62 W (32 V / 1.94 A和16 V / 0 A) 持續(xù)400 ms

能效要求：

滿(mǎn)載(40 W)時(shí)> 80 %

休眠模式(2 W和4 W)> 70 %

空載條件下輸入功率Pin < 0.3 W
 

　　圖6：基于NCP1351C的安森美半導(dǎo)體40 W GreenPointTM打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)在不同輸出功率條件下的能效
[總結(jié)]：在反激式開(kāi)關(guān)電源中,，PWM控制器存在著不同的架構(gòu),，如固定開(kāi)關(guān)頻率和準(zhǔn)諧振等；這兩種架構(gòu)各有其特點(diǎn),，但它們都需要提升在更寬功率范圍下的能效,，特別是輕載條件下的能效；而在這方面,，固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)架構(gòu)則有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。安森美半導(dǎo)體的NCP1351就是一款高性能的電流模式PWM控制器，它基于固定峰值電流(準(zhǔn)固定導(dǎo)通時(shí)間),、可變關(guān)閉時(shí)間技術(shù),，在負(fù)載降低時(shí)能降低開(kāi)關(guān)頻率，從而使得采用NCP1351的電源能夠提供卓越的空載能耗,，并在輕載條件下提供更高的能效,，非常適合于輔助電源、打印機(jī),、游戲機(jī),、低成本適配器和離線(xiàn)電池充電器等對(duì)成本非常敏感的終端產(chǎn)品應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體更針對(duì)NCP1351提供豐富的設(shè)計(jì)資源,，其中包括高能效的40 W GreenPointTM打印機(jī)電源適配器參考設(shè)計(jì),，幫助客戶(hù)滿(mǎn)足日漸嚴(yán)苛的能效規(guī)范要求,，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程,。