采用安森美半导体解决方案满足“能源之星”最新外部电源规范要求
2009-08-10 10:10:14
来源：《半导体器件应用》2009年8月刊
1 前言
电源是电子系统中必不可少的组件。除了电视和计算机等产品中所使用的内部电源转换器，外部电源适配器也广泛应用于手机、DSL调制解调器、打印机、笔记本电脑及游戏机等领域，以至于一个普通家庭可能就会拥有少则三五个、多则逾十个的电源适配器。这些适配器的应用规模非常庞大，而且其功率消耗又在一定程度上与用户的使用习惯密切相关。例如，许多用户在将电源适配器（或称充电器）从应用端（如笔记本电脑）拨出后，仍将插头插在墙式插座上，使其在不使用的情况下仍然消耗电流。因此，电源适配器的工作能效及待机能耗成为美国环保署（EPA）“能源之星”等规范瞄准改善的目标。2008年11月开始生效的“能源之星”外部电源（EPS）2.0版规范（简称EPA 2.0）就在1.1版基础上提高了要求，如表1所示（Ln为额定输出功率的自然对数）。例如，额定功率大于49W的外部电源在标准工作模式的能效基准要求从0.84提高到0.870，而交流-直流（AC-DC）EPS最大空载待机能耗也大幅降低。
不同适配器的功率等级相关较大，如手机充电器的功率低至5W，而游戏机适配器功率则可达250W。根据IEC61000-3-2等标准的要求，功率大于75W的电源应用需要增加功率因数校正（PFC），低于75W则无此要求。因此，我们就以75W为界线，分别着重讨论功率低于75W适配器和高于75W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、高能效控制器示例。
2 功率低于 75W 的适配器特性及控制器解决方案
对于功率低于75W的适配器而言，在工作能效提升方面，首先就需要考虑其损耗来源。事实上，其损耗主要包括两个方面，分别是开关损耗和门极电荷（Qgate）损耗，这两类损耗分别可以用等式(1)和等式(2)来量化：
等式(1)
等式(2)
从这两个等式中可以看出，要提升能效，可以从开关频率（FSW）及关闭时的漏极电压（VDRAIN(turn-off)）着手，即降低开关频率，特别是在轻载时可以采用频率反走技术来实现；而通过采用谷底开关（valley switching）技术，也可以降低关闭时的漏极电压。
而在降低空载能耗方面，可以首先分析出空载损耗主要在于启动电路中的静态损耗，即在空载条件下，启动电阻仍会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外部启动电阻、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。
作为全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商，安森美半导体提供两种新系列的控制器，提供满足上述适配器工作能效提升及空载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系列的这四款新器件而言，它们属于固定频率控制器，带集成启动电流源，有助于降低空载输入功率（即空载能耗）；并采用频率反走技术和跳周期模式，帮助降低轻载时的开关损耗及门极电荷损耗，从而提升适配器工作能效。这几款器件的开关频率会在25kHz时钳位，从而消除可听噪声问题。
从所测得的实际案例工作能效来看，NCP1237/38/87/88系列固定频率控制器与前一代产品NCP1271在额定输出功率的100%（65W）、75%（49W）、50%（32W）和25%（16W）条件下，在115Vac及230Vac电压时的能效总体更优，其中在230Vac条件时平均能效高达87.7%。在轻载及空载能耗方面，以NCP1237为例，与前一代产品NCP1027相比，在10.7W、1.3W、0.5W轻载及0W空载条件下，在115Vac及230Vac电压时能耗下降了10mW到710mW不等，其中这两种输入电压条件下的空载能耗分别仅为71mW和97mW。这些能效及能耗测试数值均满足并超越EPA 2.0规范要求。
除了提供满足最新能效及能耗要求的特性，NCP1237/38/87/88还具有多种保护特性，如输入欠压和主电源过压保护、可调节过功率保护、严苛故障条件下的闩锁保护，并提供双路过流保护选项。这些器件工作电压可达30V，采用SOIC-7封装，并均可根据不同终端应用要求提供A、B版本的选择，适合于笔记本、LCD显示器、打印机和游戏机以及DVD和机顶盒（STB）等应用。
另一系列的NCP1379/80新器件属于谷底开关控制器，具有极低启动电流和频率反走等特性，同样满足降低空载能耗和提升工作能效要求。就其频率反走特性而言，当反馈电压（VFB）低于0.8V（输出功率POUT下降）或反馈电压低于1.6V（输出功率上升）时，就发生频率反走。值得一提的是，NCP1379/80能够提升所有负载等级时的能效（即不限于轻载能效），并将待机和空载能耗降至极低水平，如表2所示。
综上所述，可以采用安森美半导体支持轻载时频率反走的两系列新控制器，来满足并超越“能源之星”等适配器的87%最低工作能效要求，而且即便在有启动电阻的情况下，仍然能够实现规范所要求的低于0.3W的空载能耗。
3功率高于75W的适配器特性及控制器解决方案
对于功率大于75W的适配器而言，以笔记本应用为例，常见额定功率包括75W、90W和120W等，其中以用于90W平台的批量最大，所以我们将重点围绕90W应用来探讨。
如前所述，一旦功率大于75W，除了满足上述工作能效及空载能耗要求外，电路中还面临着加入PFC的要求，这在改善功率因数、使电网电能得到更高效利用的同时，也会使得电路结构更为复杂。在这类应用中，传统电源架构是PFC+PWM的两段式架构，即在非连续导电模式（DCM）或临界导电模式（CrM）段后跟随着准谐振反激段，每个段都使用一个控制器，如图2(a)所示。
与这种两段式架构不同，近年来涌现出一种新颖的单段式PFC架构，如安森美半导体新推的一款组合控制器NCP1901。它在单颗IC中结合了CrM PFC和半桥谐振转换段，能够提供实现高能效、小外形因数笔记本适配器所需的全部功能，如图2(b)所示。这种架构使用的元器件数量更少，为两段式架构提供了良好的替代选择。
NCP1901半桥谐振段工作在固定的频率和占空比，从而降低开关损耗。这器件通过调制半桥电源段实现稳压，而其在初级端的稳压消除了反馈环路，简化了电路。安森美半导体并基于NCP1901推出新的90W笔记本适配器参考设计，如图3所示。这参考设计在115Vac和230Vac输入条件下测得的工作能效分别为89.4%和90.9%，115Vac条件下的空载能耗为420mW，且符合IEC61000-3-2要求的EPA 2.0规范对功率因数的要求（即115Vac条件下功率因数不低于0.9），以及EPA 2.0对工作能效的要求。
值得一提的是，该高能效90W笔记本适配器参考设计可以采用极小的散热片，且高度很低，可用于实现外形因数更小的适配器解决方案。
4总结
最新实现的“能源之星”外部电源规范对电源适配器的工作能效、空载能耗等提出了更高的要求。本文分别基于低于75W应用及高于75W需要PFC的应用，分析了电源控制器实现这些规范所需要具备的特性，特别是采用安森美半导体NCP1237/38/87/88系列固定频率控制器、NCP1379/80系列谷底开关控制器和NCP1901组合式控制器所能实现的工作能效提升、轻载及空载能耗降低效果，并提供相关的测试数据予以验证。客户采用安森美半导体的这些器件及相关GreenPointTM参考设计，能够满足最新规范要求，缩短产品开发周期，并加快上市进程。
电源是电子系统中必不可少的组件。除了电视和计算机等产品中所使用的内部电源转换器，外部电源适配器也广泛应用于手机、DSL调制解调器、打印机、笔记本电脑及游戏机等领域，以至于一个普通家庭可能就会拥有少则三五个、多则逾十个的电源适配器。这些适配器的应用规模非常庞大，而且其功率消耗又在一定程度上与用户的使用习惯密切相关。例如，许多用户在将电源适配器（或称充电器）从应用端（如笔记本电脑）拨出后，仍将插头插在墙式插座上，使其在不使用的情况下仍然消耗电流。因此，电源适配器的工作能效及待机能耗成为美国环保署（EPA）“能源之星”等规范瞄准改善的目标。2008年11月开始生效的“能源之星”外部电源（EPS）2.0版规范（简称EPA 2.0）就在1.1版基础上提高了要求，如表1所示（Ln为额定输出功率的自然对数）。例如，额定功率大于49W的外部电源在标准工作模式的能效基准要求从0.84提高到0.870，而交流-直流（AC-DC）EPS最大空载待机能耗也大幅降低。
不同适配器的功率等级相关较大，如手机充电器的功率低至5W，而游戏机适配器功率则可达250W。根据IEC61000-3-2等标准的要求，功率大于75W的电源应用需要增加功率因数校正（PFC），低于75W则无此要求。因此，我们就以75W为界线，分别着重讨论功率低于75W适配器和高于75W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、高能效控制器示例。
2 功率低于 75W 的适配器特性及控制器解决方案
对于功率低于75W的适配器而言，在工作能效提升方面，首先就需要考虑其损耗来源。事实上，其损耗主要包括两个方面，分别是开关损耗和门极电荷（Qgate）损耗，这两类损耗分别可以用等式(1)和等式(2)来量化：
等式(1)
等式(2)
从这两个等式中可以看出，要提升能效，可以从开关频率（FSW）及关闭时的漏极电压（VDRAIN(turn-off)）着手，即降低开关频率，特别是在轻载时可以采用频率反走技术来实现；而通过采用谷底开关（valley switching）技术，也可以降低关闭时的漏极电压。
而在降低空载能耗方面，可以首先分析出空载损耗主要在于启动电路中的静态损耗，即在空载条件下，启动电阻仍会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外部启动电阻、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。
作为全球领先的高性能、高能效硅解决方案供应商，安森美半导体提供两种新系列的控制器，提供满足上述适配器工作能效提升及空载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系列的这四款新器件而言，它们属于固定频率控制器，带集成启动电流源，有助于降低空载输入功率（即空载能耗）；并采用频率反走技术和跳周期模式，帮助降低轻载时的开关损耗及门极电荷损耗，从而提升适配器工作能效。这几款器件的开关频率会在25kHz时钳位，从而消除可听噪声问题。
从所测得的实际案例工作能效来看，NCP1237/38/87/88系列固定频率控制器与前一代产品NCP1271在额定输出功率的100%（65W）、75%（49W）、50%（32W）和25%（16W）条件下，在115Vac及230Vac电压时的能效总体更优，其中在230Vac条件时平均能效高达87.7%。在轻载及空载能耗方面，以NCP1237为例，与前一代产品NCP1027相比，在10.7W、1.3W、0.5W轻载及0W空载条件下，在115Vac及230Vac电压时能耗下降了10mW到710mW不等，其中这两种输入电压条件下的空载能耗分别仅为71mW和97mW。这些能效及能耗测试数值均满足并超越EPA 2.0规范要求。
除了提供满足最新能效及能耗要求的特性，NCP1237/38/87/88还具有多种保护特性，如输入欠压和主电源过压保护、可调节过功率保护、严苛故障条件下的闩锁保护，并提供双路过流保护选项。这些器件工作电压可达30V，采用SOIC-7封装，并均可根据不同终端应用要求提供A、B版本的选择，适合于笔记本、LCD显示器、打印机和游戏机以及DVD和机顶盒（STB）等应用。
另一系列的NCP1379/80新器件属于谷底开关控制器，具有极低启动电流和频率反走等特性，同样满足降低空载能耗和提升工作能效要求。就其频率反走特性而言，当反馈电压（VFB）低于0.8V（输出功率POUT下降）或反馈电压低于1.6V（输出功率上升）时，就发生频率反走。值得一提的是，NCP1379/80能够提升所有负载等级时的能效（即不限于轻载能效），并将待机和空载能耗降至极低水平，如表2所示。
综上所述，可以采用安森美半导体支持轻载时频率反走的两系列新控制器，来满足并超越“能源之星”等适配器的87%最低工作能效要求，而且即便在有启动电阻的情况下，仍然能够实现规范所要求的低于0.3W的空载能耗。
3功率高于75W的适配器特性及控制器解决方案
对于功率大于75W的适配器而言，以笔记本应用为例，常见额定功率包括75W、90W和120W等，其中以用于90W平台的批量最大，所以我们将重点围绕90W应用来探讨。
如前所述，一旦功率大于75W，除了满足上述工作能效及空载能耗要求外，电路中还面临着加入PFC的要求，这在改善功率因数、使电网电能得到更高效利用的同时，也会使得电路结构更为复杂。在这类应用中，传统电源架构是PFC+PWM的两段式架构，即在非连续导电模式（DCM）或临界导电模式（CrM）段后跟随着准谐振反激段，每个段都使用一个控制器，如图2(a)所示。
与这种两段式架构不同，近年来涌现出一种新颖的单段式PFC架构，如安森美半导体新推的一款组合控制器NCP1901。它在单颗IC中结合了CrM PFC和半桥谐振转换段，能够提供实现高能效、小外形因数笔记本适配器所需的全部功能，如图2(b)所示。这种架构使用的元器件数量更少，为两段式架构提供了良好的替代选择。
NCP1901半桥谐振段工作在固定的频率和占空比，从而降低开关损耗。这器件通过调制半桥电源段实现稳压，而其在初级端的稳压消除了反馈环路，简化了电路。安森美半导体并基于NCP1901推出新的90W笔记本适配器参考设计，如图3所示。这参考设计在115Vac和230Vac输入条件下测得的工作能效分别为89.4%和90.9%，115Vac条件下的空载能耗为420mW，且符合IEC61000-3-2要求的EPA 2.0规范对功率因数的要求（即115Vac条件下功率因数不低于0.9），以及EPA 2.0对工作能效的要求。
值得一提的是，该高能效90W笔记本适配器参考设计可以采用极小的散热片，且高度很低，可用于实现外形因数更小的适配器解决方案。
4总结
最新实现的“能源之星”外部电源规范对电源适配器的工作能效、空载能耗等提出了更高的要求。本文分别基于低于75W应用及高于75W需要PFC的应用，分析了电源控制器实现这些规范所需要具备的特性，特别是采用安森美半导体NCP1237/38/87/88系列固定频率控制器、NCP1379/80系列谷底开关控制器和NCP1901组合式控制器所能实现的工作能效提升、轻载及空载能耗降低效果，并提供相关的测试数据予以验证。客户采用安森美半导体的这些器件及相关GreenPointTM参考设计，能够满足最新规范要求，缩短产品开发周期，并加快上市进程。
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