安森美半导体16 W xDSL调制解调器AC-DC适配器参考设计

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。



表1，针对外部电源的一些主要能效规范

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：90-270 Vac，50/60 Hz
输出：1.3 A持续电流时12 Vdc±5%(功率为16 W)；1.6 A浪涌电流达10 s
稳压：结合线路和负载条件下＜2%
输出纹波：低于200 mV 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：≤0.3 W
工作温度：0至50℃
冷却方式：对流
输入保护：采用1 A熔丝提供8 Ω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：3 kV I/O隔离
遵从的EMI标准：FCC Part 15 conducted EMI (Level B, average profile)

电路工作原理

图1所示的是这AC-DC适配器的电路原理图。从图中可以看出，这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感测和稳压。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。



图1，安森美半导体16 W Modem AC-DC适配器参考设计的电路原理图

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等相关元件为这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，这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。这缓冲器网络限制峰值电压及降低潜在的EMI放射问题，从而防止潜在的MOSFET漏极损伤(引脚5)。


图2，可替代RCD缓冲器电路的非耗散型谐振缓冲器电路

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，这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。这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，这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上的)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1.5 mH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12 V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0.9 V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0.9 V。但因为齐纳器件和光耦合器特性以及这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1.8 A，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75 Vac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为这输入提供滤波。此外，如果需要的话，可以通过可选的电阻R8、R13和R14来提供可选的过功率补偿功能。