功率小于75W的极低待机功耗适配器设计及应用
2010-12-17 17:27:02
来源：《半导体器件应用》2010年4月刊
1 前言
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。
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75W的电源需要增加功率因数校正(PFC)，低于75W则无此要求。本文着重讨论功率低于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。
2 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，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式(1)和式(2)计算：
(1)
(2)
从以上两式可以看出，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。
3 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（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。
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25kHz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。
4 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75W，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。可以根据相关公式计算出初级峰值电流，然后计算过载补偿电阻值(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3.5A，但只在瞬态条件下需要这大电流，其长期的均方根(RMS)值仅1.75A，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。
4 典型65W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19V）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。
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，更接近于真实环境中的能效测试结果。这演示板在115Vac时的平均能效高达87.32，230Vac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0.5W的规范要求。
5 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等重要功能，设计工程师能够采用以基于这系列控制器的经典反激转换器来满足“能源之星”能效规范要求。基于NCP1237的65W适配器演示板能效测试结果显示，平均能效高于87%，并有可能提供低于300mW的空载（待机）能耗，且在整个电源设计中尽力减少功率浪费的条件下，能够实现低于100mW的空载能耗，满足并超越“能源之星”的要求。
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。
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75W的电源需要增加功率因数校正(PFC)，低于75W则无此要求。本文着重讨论功率低于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。
2 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，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式(1)和式(2)计算：
(1)
(2)
从以上两式可以看出，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。
3 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（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。
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25kHz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。
4 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75W，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。可以根据相关公式计算出初级峰值电流，然后计算过载补偿电阻值(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3.5A，但只在瞬态条件下需要这大电流，其长期的均方根(RMS)值仅1.75A，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。
4 典型65W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19V）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。
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，更接近于真实环境中的能效测试结果。这演示板在115Vac时的平均能效高达87.32，230Vac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0.5W的规范要求。
5 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等重要功能，设计工程师能够采用以基于这系列控制器的经典反激转换器来满足“能源之星”能效规范要求。基于NCP1237的65W适配器演示板能效测试结果显示，平均能效高于87%，并有可能提供低于300mW的空载（待机）能耗，且在整个电源设计中尽力减少功率浪费的条件下，能够实现低于100mW的空载能耗，满足并超越“能源之星”的要求。
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