實(shí)現(xiàn)低于高于75W應(yīng)用的綠色適配器解決方案

能源問題如今已落實(shí)到廠商生產(chǎn)的具體產(chǎn)品上?！澳茉粗恰钡奶岢鰹楫a(chǎn)品流入市場前設(shè)置了一道“坎”。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。而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并加快上市進(jìn)程是當(dāng)今各大廠商“狠抓落實(shí)”的目標(biāo)。如何既滿足“能源之星”又達(dá)到自身的目的呢？本文分別基于低于75W應(yīng)用及高于75W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，并提供相關(guān)的測試數(shù)據(jù)予以佐證。
　　
　　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。
　　
　　因此，電源適配器的工作能效及待機(jī)能耗成為美國環(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(chǔ)上提高了要求，如表1所示(Ln為額定輸出功率的自然對(duì)數(shù))。例如，額定功率大于49W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。

　　
　　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(jí)相關(guān)較大，如手機(jī)充電器的功率低至5W，而游戲機(jī)適配器功率則可達(dá)250W。根據(jù)IEC61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)的要求，功率大于75W的電源應(yīng)用需要增加功率因數(shù)校正(PFC)，低于75W則無此要求。因此，我們就以75W為界線，分別著重討論?率低于75W適配器和高于75W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75W的適配器特性及控制器解決方案
　　
　　對(duì)于功率低于75W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(shí)上，其損耗主要包括兩個(gè)方面，分別是開關(guān)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：

　　
　　從這兩個(gè)等式中可以看出，要提升能效，可以從開關(guān)頻率(FSW)及關(guān)閉時(shí)的漏極電壓(VDRAIN(turn-off))著手，即要降低開關(guān)頻率，特別是在輕載時(shí)可以采用頻率反走技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；而通過采用谷底開關(guān)(valley switching)技術(shù)，也可以降低關(guān)閉時(shí)的漏極電壓。
　　
　　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。
　　
　　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)的開關(guān)損耗及門電荷損耗，從而提升適配器工作能效。這幾款器件的開關(guān)頻率會(huì)在25 kHz時(shí)鉗位，從而消除可聽噪聲問題。

　　
　　圖1：NCP1237/38/87/88在輕載時(shí)采用頻率反走技術(shù)降低開關(guān)損耗。
　　
　　從所測得的實(shí)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%(65W)、75%(49W)、50%(32W)和25%(16W)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10.7W、1.3W、0.5W輕載及0W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。這些能效及能耗測試數(shù)值均滿足并超越EPA 2.0規(guī)范要求。

　　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壓保護(hù)、可調(diào)節(jié)過功率保護(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。
　　
　　另一系列的NCP1379/80新器件屬于谷底開關(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(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(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。

　　
　　表2：NCP1380谷底開關(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)。
　　
　　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0.3W的空載能耗。

　功率高于75W的適配器特性及控制器解決方案
　　
　　對(duì)于功率大于75W的適配器而言，以筆記本應(yīng)用為例，常見額定功率包括75W、90W和120W等，其中以用于90W平臺(tái)的批量最大，所以我們將重點(diǎn)圍繞90W應(yīng)用來探討。
　　
　　如前所述，一旦功率大于75W，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。
　　
　　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(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。
　　
　　NCP1901半橋諧振段工作在固定的頻率和占空比，從而降低開關(guān)損耗。這器件通過調(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，簡化了電路。安森美半導(dǎo)體并基于NCP1901推出新的90W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輸入條件下測得的工作能效分別為8?.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。
　　
　　值得一提的是，這高能效90W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。

　　
　　圖3：安森美半導(dǎo)體基于NCP1901組合控制器的90W筆記本適配器參考設(shè)計(jì)。
　　
　　總結(jié)：
　　
　　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75W應(yīng)用及高于75W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參考設(shè)計(jì)，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(jìn)程。