安森美半导体 16W xDSL 调制解调器 AC-DC 适配器参考设计
2009-03-13 14:59:10
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
1 引言
家庭和办公应用中的 xDSL 调制解调器通常采用外部交流-直流（AC-DC）适配器供电。从大多数人的使用习惯来看，这些适配器一直插在电源插座上，持续从交流主电源消耗着电能。据估计，通过适配器的电能中有高达 25% 是在待机（空载）时消耗的。基于这个原因，AC-DC 适配器在设计之初就必须考虑到在待机模式下要保持极低的能耗。
除了待机能耗要尽可能地低，AC-DC 适配器的工作效率必须非常高。由于电子设备工作时的能耗毕竟占据着更高比例（约75%），较高的工作效率能够帮助节省电能。有鉴于此，世界各地的规范机构不断发布与实施针对外部电源（EPS）在工作及待机时的能效要求，如表 1 所示。
2 调制解调器 AC-DC 适配器设计规范要求
对于调制解调器原始设备制造商（OEM），AC-DC 适配器已经成为大宗商用产品。因此，他们强制要求符合严苛的规范，同时还要求低成本。对于 AC-DC 适配器而言，关键的性能指标包括三项，分别是：功率密度（受封装尺寸要求驱动）、安全性和低外壳温度。安森美半导体的调制解调器 AC-DC 适配器参考设计的规范要求如下：
输入：90Vac-270Vac，50/60Hz；
输出：1.3A持续电流时12Vdc±5%（功率为16W），1.6A 浪涌电流达 10s；
稳压：结合线路和负载条件下 <2%；
输出纹波：低于 200mV p/p；
稳流：结合线路和负载条件下 <10%；
平均能效：≥0.09 * Ln (16) + 0.49 = 74%（符合“能源之星”外部电源 1.1 版要求）
待机（空载）能耗：≤0.3W；
工作温度：0℃ 至 50℃；
冷却方式：对流；
输入保护：采用 1A 熔丝提供 8Ω 浪涌限制；
输出保护：过流保护、过压保护和过温保护；
遵从的安全标准：3kV I/O隔离；
遵从的 EMI 标准：FCC Part 15 conducted EMI（Level B， average profile）。
3 电路工作原理
图 1 所示的是该 AC-DC 适配器的电路原理图。从图中可以看出，适配器电源是基于反激转换器拓扑结构而设计，采用了简单的齐纳器件，再加上光电耦合器反馈电路用于输出电压测量和稳压。交流输入通过 D1 至 D4 的 4 个二极管进行全波整流，并通过电容 C3 和 C4 进行滤波，为反激转换器段提供直流“bulk”总线。电阻 R1 在导通时提供浪涌电流限制功能，而电容 C1、C2 和电感 L1、L2 构成了针对导电电磁干扰（EMI）的共模及差模滤波。
其中的反激转换器由 NCP1027 控制器（含集成的MOSFET U1）、反激变压器 T1 以及二极管 D6、电容 C6 和 C7 等次级输出整流/滤波部分组成。T1 上的辅助绕组及R15、D7、C10、R9 和 C9 等相关元件为控制芯片提供工作偏置（VCC），并在电源短路时容许低输出功率，及在空载条件下容许极低待机能耗。由于辅助绕组产生的电压会追踪主输出电压，该电压还会在发生反馈环路开路时用于感测过压条件。
过压保护（OVP）启动（trip）电平能够通过辅助绕组的匝数和电阻 R9 的值来调节。主次级电压通过肖特基二极管 D6 来整流，并通过主输出电容 C6 和 C7 滤波至相对平常的直流电平。电容 C12 为输出提供额外的高频噪声滤波功能。由 R2、R3、C5 和 D5 组成的电阻电容二极管（RCD）缓冲器用于对 T1 初级泄漏电感导致的电压尖峰进行钳位。该缓冲器网络限制峰值电压及降低潜在的 EMI 辐射问题，从而防止潜在的 MOSFET 漏极损伤（引脚 5）。
除了上述 RCD 缓冲器电路，还有一种可替代的非耗散性谐振缓冲器电路，如图 2 所示。根据变压器设计的属性及相关的寄生参数，该种缓冲器还可以将电路效率提升几个百分点。随着电源输出电压和/或功率电平的降低——取决于具体需求，这种能效的提升可能对于符合“能源之星”能效要求至关重要。该非耗散性缓冲器电路采用了由Lr和Cr组成的谐振储能（tank）电路，谐振储能电路实质上充当电抗型（reactive）电荷泵，将变压器的漏电抗能量返回至（C4 ）输入总线而非在电阻上将其泄放掉。这可以通过由额外快速恢复二极管和小型 1.5mH 电感 Lr 实现，但会增加些许成本。
回到图 1，输出电压稳压是通过由 Z1、R5、R6、R7 和光耦合器 U2 等元件组合实现的。当输出电压增加至约 12V 时，齐纳器件 Z1 导电，当有足够的电流流进 R7 从而产生导通光耦二极管所需的 0.9V 电压时，电压反馈环路关闭，输出将被稳压。电阻 R7 的使用迫使齐纳电流成为器件电压/电流（V/I）曲线的稳定部分，使得输出电压的温度效应得以最小化。输出电压将等于额定齐纳电压加上约 0.9V。但因为齐纳器件和光耦合器特性以及该电路较小的负温度系统的缘故，实际电压可能会有一些变化，但输出电压（Vout）设定点变化必须不超过±5%。可选电阻 R5 支持对输出电压仅在向上方向进行微调。
如果输出电流超过约 1.8A，转换器占空比将被 MOSFET U1 的峰值电流感测所降低，而输出电压将开始下降。由于 C10 上的 Vcc 偏置电压将随着输出电压下降，最终 Vcc 引脚 1 上将没有足够电压来为控制器供电，而电源会进入启动-停止打嗝（hiccup）模式，这会防止大输出电流进入过载条件，同时保护电源和负载。
电阻 R10 至 R12 组成的网络为电路在交流输入电压（及直流 buck 电压相应地）下降至低于大约 75Vac 时提供欠压保护。引脚 3（芯片在此引脚关闭）上的电平能够通过 R10 来调节。C11 为输入提供滤波。此外，如果需要的话，可以通过可选的电阻 R8、R13 和 R14 来提供可选的功率补偿功能。
4 变压器设计
对于低功率应用而言，需要变压器尺寸尽可能地小；但是，随着变压器尺寸变小，磁芯的横截面积也会变小。这就需要更多的初级匝数来维持可接受的磁通量密度限制，并可能导致绕轴上聚集过多的匝数，从而抑制了初级和次级之间有效的绝缘。初级匝数太多也会增加初级泄漏电感，还未提及通常绕组上有的直流阻抗。本参考设计中采用了 E25/10/6 铁芯，并针对上述参数问题进行了较为令人满意的折衷。针对通用输入的变压器设计如图 3 所示。
还有一种专门针对 230Vac 输入条件（欧洲）的设计，可以提供高一些的能效，并能够将持续功率输出增加至 20W（1.65A）。无论是哪种设计，初级都分为两层，而次级和 Vcc 绕组夹在中间。这种配置的泄漏电感更低，并因此在 MOSFET 关闭时提供更低的电压尖锋。这种三绕组 12V 次级适合于将绕组中的交流和直流损耗降到最低。确切的引脚输出将取决于具体布线，但磁芯选择、线束大小、电感值和匝数比应当适合恰当的操作。这种特别的反激变压器设计用于 100kHz 不连续导电模式（DCM）工作，因此 NCP1027 的引脚 2 提供的斜坡补偿特性并非必需。
5 测试结果
(1) 工作效率。
120Vac 和 230Vac 输入条件下 25%、50%、75% 和 100% 负载时的能效测试结果如表 2 所示。其中左表所示为采用 RCD 缓冲器电路的参考设计的能效数据，而右表为采用谐振缓冲器电路的参考设计相对略高的能效数据。值得一提的是，这两种情况下的平均能效都轻易地满足 CEC 和能源之星 EPS 规范（1.1 版）对所属功率电平范围的要求。在 230Vac 输入条件下，轻载时能效会略微降低，主要是因为在这种输入电平时 MOSFET 的开关损耗较高。
(2) 待机（空载）能耗
① 采用传统 RCD 缓冲器电路的参考设计的空载能耗为：
290mW，120Vac 输入；
210mW，240Vac 输入。
② 采用非耗散性谐振缓冲器电路的参考设计的空载能：
240mW，120Vac 输入；
200mW，240Vac 输入。
这些空载能耗数据不仅符合 CEC 和“能源之星”1.1 版要求，更符合“能源之星”最新的 2.0 版要求。
6 总结
本文介绍了安森美半导体用于 xDSL 调制解调器 AC-DC 适配器的一种经过完备构建及测试的 GreenPointTM 解决方案。该电源参考设计旨在用于需要良好输出稳压的低高度离线应用。除了 xDSL 调制解调器，该参考设计还适合于功率介于 10W 至 20W 范围、需要单路输出电压的打印机、路由器、集线器和/或类似的消费类音视频产品应用。
这电源参考电源设计基于安森美半导体集成了 700V MOSFET 的 NCP1027 单片控制器，构建了输出能力为 12V、1.3A 的电源，具有超过 1.6A 的浪涌能力，符合“能源之星”等规范机构的工作能效和待机能耗要求，以及其它安全规范要求。值得一提的是，只需要对变压器砸数比和电压参考齐纳器件进行重新配置，该参考设计就能修改用于输出电压在几V到高达 28V（或更高）、功率约为 20W的应用。
家庭和办公应用中的 xDSL 调制解调器通常采用外部交流-直流（AC-DC）适配器供电。从大多数人的使用习惯来看，这些适配器一直插在电源插座上，持续从交流主电源消耗着电能。据估计，通过适配器的电能中有高达 25% 是在待机（空载）时消耗的。基于这个原因，AC-DC 适配器在设计之初就必须考虑到在待机模式下要保持极低的能耗。
除了待机能耗要尽可能地低，AC-DC 适配器的工作效率必须非常高。由于电子设备工作时的能耗毕竟占据着更高比例（约75%），较高的工作效率能够帮助节省电能。有鉴于此，世界各地的规范机构不断发布与实施针对外部电源（EPS）在工作及待机时的能效要求，如表 1 所示。
2 调制解调器 AC-DC 适配器设计规范要求
对于调制解调器原始设备制造商（OEM），AC-DC 适配器已经成为大宗商用产品。因此，他们强制要求符合严苛的规范，同时还要求低成本。对于 AC-DC 适配器而言，关键的性能指标包括三项，分别是：功率密度（受封装尺寸要求驱动）、安全性和低外壳温度。安森美半导体的调制解调器 AC-DC 适配器参考设计的规范要求如下：
输入：90Vac-270Vac，50/60Hz；
输出：1.3A持续电流时12Vdc±5%（功率为16W），1.6A 浪涌电流达 10s；
稳压：结合线路和负载条件下 <2%；
输出纹波：低于 200mV p/p；
稳流：结合线路和负载条件下 <10%；
平均能效：≥0.09 * Ln (16) + 0.49 = 74%（符合“能源之星”外部电源 1.1 版要求）
待机（空载）能耗：≤0.3W；
工作温度：0℃ 至 50℃；
冷却方式：对流；
输入保护：采用 1A 熔丝提供 8Ω 浪涌限制；
输出保护：过流保护、过压保护和过温保护；
遵从的安全标准：3kV I/O隔离；
遵从的 EMI 标准：FCC Part 15 conducted EMI（Level B， average profile）。
3 电路工作原理
图 1 所示的是该 AC-DC 适配器的电路原理图。从图中可以看出，适配器电源是基于反激转换器拓扑结构而设计，采用了简单的齐纳器件，再加上光电耦合器反馈电路用于输出电压测量和稳压。交流输入通过 D1 至 D4 的 4 个二极管进行全波整流，并通过电容 C3 和 C4 进行滤波，为反激转换器段提供直流“bulk”总线。电阻 R1 在导通时提供浪涌电流限制功能，而电容 C1、C2 和电感 L1、L2 构成了针对导电电磁干扰（EMI）的共模及差模滤波。
其中的反激转换器由 NCP1027 控制器（含集成的MOSFET U1）、反激变压器 T1 以及二极管 D6、电容 C6 和 C7 等次级输出整流/滤波部分组成。T1 上的辅助绕组及R15、D7、C10、R9 和 C9 等相关元件为控制芯片提供工作偏置（VCC），并在电源短路时容许低输出功率，及在空载条件下容许极低待机能耗。由于辅助绕组产生的电压会追踪主输出电压，该电压还会在发生反馈环路开路时用于感测过压条件。
过压保护（OVP）启动（trip）电平能够通过辅助绕组的匝数和电阻 R9 的值来调节。主次级电压通过肖特基二极管 D6 来整流，并通过主输出电容 C6 和 C7 滤波至相对平常的直流电平。电容 C12 为输出提供额外的高频噪声滤波功能。由 R2、R3、C5 和 D5 组成的电阻电容二极管（RCD）缓冲器用于对 T1 初级泄漏电感导致的电压尖峰进行钳位。该缓冲器网络限制峰值电压及降低潜在的 EMI 辐射问题，从而防止潜在的 MOSFET 漏极损伤（引脚 5）。
除了上述 RCD 缓冲器电路，还有一种可替代的非耗散性谐振缓冲器电路，如图 2 所示。根据变压器设计的属性及相关的寄生参数，该种缓冲器还可以将电路效率提升几个百分点。随着电源输出电压和/或功率电平的降低——取决于具体需求，这种能效的提升可能对于符合“能源之星”能效要求至关重要。该非耗散性缓冲器电路采用了由Lr和Cr组成的谐振储能（tank）电路，谐振储能电路实质上充当电抗型（reactive）电荷泵，将变压器的漏电抗能量返回至（C4 ）输入总线而非在电阻上将其泄放掉。这可以通过由额外快速恢复二极管和小型 1.5mH 电感 Lr 实现，但会增加些许成本。
回到图 1，输出电压稳压是通过由 Z1、R5、R6、R7 和光耦合器 U2 等元件组合实现的。当输出电压增加至约 12V 时，齐纳器件 Z1 导电，当有足够的电流流进 R7 从而产生导通光耦二极管所需的 0.9V 电压时，电压反馈环路关闭，输出将被稳压。电阻 R7 的使用迫使齐纳电流成为器件电压/电流（V/I）曲线的稳定部分，使得输出电压的温度效应得以最小化。输出电压将等于额定齐纳电压加上约 0.9V。但因为齐纳器件和光耦合器特性以及该电路较小的负温度系统的缘故，实际电压可能会有一些变化，但输出电压（Vout）设定点变化必须不超过±5%。可选电阻 R5 支持对输出电压仅在向上方向进行微调。
如果输出电流超过约 1.8A，转换器占空比将被 MOSFET U1 的峰值电流感测所降低，而输出电压将开始下降。由于 C10 上的 Vcc 偏置电压将随着输出电压下降，最终 Vcc 引脚 1 上将没有足够电压来为控制器供电，而电源会进入启动-停止打嗝（hiccup）模式，这会防止大输出电流进入过载条件，同时保护电源和负载。
电阻 R10 至 R12 组成的网络为电路在交流输入电压（及直流 buck 电压相应地）下降至低于大约 75Vac 时提供欠压保护。引脚 3（芯片在此引脚关闭）上的电平能够通过 R10 来调节。C11 为输入提供滤波。此外，如果需要的话，可以通过可选的电阻 R8、R13 和 R14 来提供可选的功率补偿功能。
4 变压器设计
对于低功率应用而言，需要变压器尺寸尽可能地小；但是，随着变压器尺寸变小，磁芯的横截面积也会变小。这就需要更多的初级匝数来维持可接受的磁通量密度限制，并可能导致绕轴上聚集过多的匝数，从而抑制了初级和次级之间有效的绝缘。初级匝数太多也会增加初级泄漏电感，还未提及通常绕组上有的直流阻抗。本参考设计中采用了 E25/10/6 铁芯，并针对上述参数问题进行了较为令人满意的折衷。针对通用输入的变压器设计如图 3 所示。
还有一种专门针对 230Vac 输入条件（欧洲）的设计，可以提供高一些的能效，并能够将持续功率输出增加至 20W（1.65A）。无论是哪种设计，初级都分为两层，而次级和 Vcc 绕组夹在中间。这种配置的泄漏电感更低，并因此在 MOSFET 关闭时提供更低的电压尖锋。这种三绕组 12V 次级适合于将绕组中的交流和直流损耗降到最低。确切的引脚输出将取决于具体布线，但磁芯选择、线束大小、电感值和匝数比应当适合恰当的操作。这种特别的反激变压器设计用于 100kHz 不连续导电模式（DCM）工作，因此 NCP1027 的引脚 2 提供的斜坡补偿特性并非必需。
5 测试结果
(1) 工作效率。
120Vac 和 230Vac 输入条件下 25%、50%、75% 和 100% 负载时的能效测试结果如表 2 所示。其中左表所示为采用 RCD 缓冲器电路的参考设计的能效数据，而右表为采用谐振缓冲器电路的参考设计相对略高的能效数据。值得一提的是，这两种情况下的平均能效都轻易地满足 CEC 和能源之星 EPS 规范（1.1 版）对所属功率电平范围的要求。在 230Vac 输入条件下，轻载时能效会略微降低，主要是因为在这种输入电平时 MOSFET 的开关损耗较高。
(2) 待机（空载）能耗
① 采用传统 RCD 缓冲器电路的参考设计的空载能耗为：
290mW，120Vac 输入；
210mW，240Vac 输入。
② 采用非耗散性谐振缓冲器电路的参考设计的空载能：
240mW，120Vac 输入；
200mW，240Vac 输入。
这些空载能耗数据不仅符合 CEC 和“能源之星”1.1 版要求，更符合“能源之星”最新的 2.0 版要求。
6 总结
本文介绍了安森美半导体用于 xDSL 调制解调器 AC-DC 适配器的一种经过完备构建及测试的 GreenPointTM 解决方案。该电源参考设计旨在用于需要良好输出稳压的低高度离线应用。除了 xDSL 调制解调器，该参考设计还适合于功率介于 10W 至 20W 范围、需要单路输出电压的打印机、路由器、集线器和/或类似的消费类音视频产品应用。
这电源参考电源设计基于安森美半导体集成了 700V MOSFET 的 NCP1027 单片控制器，构建了输出能力为 12V、1.3A 的电源，具有超过 1.6A 的浪涌能力，符合“能源之星”等规范机构的工作能效和待机能耗要求，以及其它安全规范要求。值得一提的是，只需要对变压器砸数比和电压参考齐纳器件进行重新配置，该参考设计就能修改用于输出电压在几V到高达 28V（或更高）、功率约为 20W的应用。
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