安森美案例 功率小于75 W的极低待机功耗适配器设计及应用.doc

安森美案例 功率小于75 W的极低待机功耗适配器设计及应用 电源适配器广泛应用于笔记本电脑、游戏机、打印机、DSL调制解调器和手机等领域，应用规模非常庞大。而从人们的使用习惯来看，这些设备也有相当比例的时间处于轻载或待机(空载)工作模式。因此，“能源之星”等规范标准在致力于提升这些设备所用电源适配器工作能效的同时，也注重提升轻载能效及降低待机能耗。例如，美国环保署(EPA) 2.0版“能源之星”外部电源规范(简称EPA 2.0)在1.1版基础上进一步提高了能效要求(见表1)，其中Ln为额定输出功率的自然对数。表1：美国环保署“能源之星”外部电源的1.1及2.0版规范不同适配器的功率等级相差较大，而根据IEC61000-3-2等标准的要求，功率大于75 W的电源需要增加功率因数校正(PFC)，低于75 W则无此要求。本文着重讨论功率低于75 W适配器满足EPA 2.0新规范所需要的特性，以及能够提供这些所需特性的安森美半导体高性能、高能效控制器。满足能效规范的途径要满足上述规范对外部电源工作能效及待机能耗的要求，我们首先需要分析清楚损耗的来源。事实上，就工作时的损耗来说，主要包括两个方面，分别是开关损耗和由泄漏电感导致的损耗，这两类损耗分别可以用等式(1)和等式(2)来量化：从这两个等式中可以看出，要提升工作能效，有两种途径：一是降低开关频率(FSW)，即在轻载时采用频率反走技术；二是降低关闭时的漏极电压(VDRAIN(turn-off)，相应地可以采用谷底开关技术。而就待机模式而言，一个重要的损耗来源于启动电路的静态损耗，即启动电阻持续地从大电容消耗电流，造成功率损耗。而降低启动电路损耗的途径有多种，如采用具有极低启动电流的控制器、采用关断时泄漏电流极低的集成启动电流源，以及连接启动电路至半波整流交流输入等。NCP1237/38/87/88控制器的关键特性NCP1237、NCP1238、NCP1287和NCP1288是安森美半导体推出的新一代固定频率脉宽调制(PWM)控制器，用于需要高性价比、可靠性、设计灵活性和低待机能耗的应用，如笔记本、LCD显示器、游戏机和打印机的交流-直流(AC-DC)适配器，以及DVD和机顶盒(STB)等消费电子应用。这系列器件包含一系列关键特性，帮助提升适配器的能效及降低待机能耗。例如，一般控制器需要启动电阻来从整流交流线路电压启动控制器，而在正常工作期间，这启动电阻还持续消耗功率。相比较而言，NCP1237/38/87/88系列控制器内置启动场效应管(FET)，这FET用作高压电流源。输入交流电压施加在适配器上时，这个电流源为控制器的VCC电容供电。这种高压启动电路在正常工作条件下关闭(这时由反激辅助绕组提供偏置电压以省电)，消耗的功率极低；同时，控制器无需启动电阻(参见图1)，帮助降低待机能耗，减少元件数量及节省电路板空间。图1：带启动电阻与不带启动电阻(内置电压启动电流源)对比这系列控制器还采用轻载时频率反走技术和跳周期模式，降低轻载时的开关频率，从而提升能效；同时，开关频率在25 kHz时钳位，从而消除可听噪声。此外，这系列器件提供多种保护特性，如双启动电流电平、输入欠压及主电源过压保护、过载保护、双过渡保护阈值、软启动和闩锁保护等。这系列器件还提供可选的动态自供电(DSS)功能，从而无需辅助绕组； 并内置斜坡补偿，不需要外部设定。以NCP1238为例，这器件的典型应用电路图如图2所示。图2：NCP1238典型应用电路图应用设计步骤及要点1) 电源段设计要在设计中应用NCP1237/38/87/88系列控制器，首先要设计电源段。由于功率小于75 W，这个功率等级常见采用反激转换器。相应地，需要计算出这反激转换器相关元件参数，选择好恰当的元器件。例如，根据输出电压和输出电流可以计算出输出功率，再根据EPA相关标准来预估能效，结合输出功率和能效来预估输入功率，随后可以计算出平均输入电流，并计算出大电容值。有关电源段设计中电容、变压器、电感和MOSFET等参数的详细计算过程，参见参考资料(1)或(2)。值得一提的是，在电源的次级端，可以考虑采用同步整流技术来显著提升能效。在这方面，可以采用安森美半导体的NCP4302同步整流控制器。诸如适配器、充电器和机顶盒等空间敏感型反激应用中使用NCP4302这样的同步整流控制器，能够显著提升能效，而额外成本极低。NCP4302已经上市，新的NCP4303同步整流控制器也将于2010年上市。2) 设定过载补偿过载补偿(OPP)会影响初级峰值电流。我们可以根据相关公式计算出初级峰值电流，然后计算出过载补偿电阻值(ROPP)。安森美半导体已经创建过载补偿电子设计表格，方便用户恰当地选择ROPP及其对峰值电流(Ipeak)、瞬态电流(ITRAN)、输出功率(Pout)及瞬态功率(PTRAN)的影响。3) 降低空载输入能耗在降低空载(待机)输入能耗方面，除了采用前述内置启动高压电流源的无启动电阻设计和NCP1237/38/87/88这样的带有频率反走及跳周期模式的控制器，还可以采取其它众多途径或诀窍，如降低变压器泄漏电感、不允许动态自供电工作、减小VCC钳位电阻值、降低开关损耗、优化钳位电路、藉反馈电阻分压器减小涡流、为所有负载电流设定稳定的工作、降低TL431偏置电路损耗、降低次级整流器及其缓冲器的损耗和不使用输出电压显示LED等。4) 磁学设计磁性元件磁通密度应该以峰值电流来设计，并提供一些裕量(5%)，从而防止饱和。另外，需要结合具体设计要求看是否需要100%的输出电流，若不是，就减小磁芯尺寸。例如，假定最大输出电流是3.5 A，但只在瞬态条件下需要这大电流，其长期的均方根(RMS)值仅1.75 A，负载系数仅为0.5(而非1)。设计人员减小磁芯尺寸后，就可以减小磁芯及铜损耗。变压器磁芯尺寸、绕组设计及气隙长度等计算同样参见参考资料(1)或(2)。5) 改善电磁干扰在适配器设计中，交流线路滤波、二极管缓冲器、直流输出滤波器、驱动器钳位、钳位环路和电源开关环路等可能会出现电磁干扰(EMI)，故改善EMI同样是设计工程师面临的重要任务。相应地可以采取一些设计技巧或方法，如所有带射频电流的开关环路的面积均应较小，以两个扼流圈来分隔输入交流滤波器从而减小寄生电容耦合影响，以及关闭通过变压器注入射频电流的电路环路等。就二极管缓冲器而言，缓冲器电阻应当接近振铃电路的特征阻抗，且缓冲器的RC(电阻电容)时间常数应当相对于开关周期较小，但与电压上升时间相比应当较长。还可从电路板布线方面着手，进一步改善EMI。典型65 W笔记本适配器演示板能效测试结果安森美半导体基于NCP1237控制器构建了一款典型65 W笔记本适配器(输出电压为19 V)的演示板，并针对EPS 2.0版规范优化。相关能效测试结果见表2。表2：基于NCP1237的65 W笔记本适配器工作能效及待机能耗测试结果需要指出的是，这能效测试结果是在长度为1.05米、铜截面积为0.75平方毫米的直流线缆上所测得的，更接近于真实世界中的能效测试结果。这演示板在115 Vac时的平均能效高达87.32，230 Vac时平均能效也达87.21%，均符合EPA 2.0工作模式的能效要求。从表2右侧可以看出，这演示板在极轻载时也具有很高能效，且在空载(待机)模式下的能耗远优EPA 2.0不高于0.5 W的规范要求。总结“能源之星”2.0版外部电源规范对笔记本、LCD显示器、打印机和机顶盒等应用的工作能效和待机能耗提出了更高的要求。安森美半导体新的NCP1237/38/87/88系列控制器带轻载时频率反走和跳周期