利用固定导通时间控制器优化开关电源能效

由于拥有较高的效率和较高的功率密度，开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。特别是随着控制芯片的应用，开关电源的电路设计得到了极大的简化，往往只需要在脉宽调制(PWM)控制芯片的基础上再加一些外围器件即可组成开关电源，这更加促进了开关电源的设计和发展。从种类来看，开关电源主要包括交流-直流(AC-DC)转换器和直流-直流(DC-DC)转换器两大类型。前者是将输入为50/60 Hz的交流电经过整流、滤波等步骤将其转换为直流电压，后者广泛用于对系统中的直流电源进行转换和分配。
　　
　　根据拓扑结构的不同，DC-DC转换器包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压(Buck-Boost)、反激(Flyback)、正激(Forward)、推挽(Push-Pull)、半桥(HB)和全桥(FB)等不同类型。不同类型DC-DC转换器的特点各不相同，并且往往有着不同的适用领域。例如，降压、升压和降压-升压转换器非常适合于无需电气隔离的低压控制应用，而反激式转换器则非常适合多输出、高电压的电源应用，这些应用中使用的离线式开关电源工作在110 V/220 V主电源，并通过使用变压器来取代滤波电感从而实现电气隔离。
　　
　　对于离线式开关电源而言，低成本是它的一个重要目标。对于其中所用的PWM控制器而言，设计人员可以选择不同的架构，如固定频率(FF)和准谐振(QR)等。对于前者而言，它的开关频率固定，其轻载能效和满载能效都处于正常范围，工作模式方面可以是连续导电模式(CCM)或非连续导电模式(DCM)。对于后者而言，它的开关频率可变，其满载能效最佳，但在轻载时则由于谷底跳变问题(噪声)，它的工作模式是边界导电模式(BCM，亦称临界导电模式，CRM)。在变压器尺寸方面，固定开关频率架构属于正常，而准谐振架构则较大；但准谐振架构的电磁干扰较小，而固定开关频率架构则较大。对于这两种架构而言，都面临着相同的问题，就是必须提升在更宽输入负载范围下的能效，并改善待机能效。
　　
　　除了这两种架构，固定导通时间(FON)架构近年来越来越多地受到业界瞩目。在这种架构下，峰值电流保持恒定，且可由用户选择；而开关频率则会变化(改变关闭时间)，以提供所需的输出功率，它在频率最高时提供的输出功率也就最大。FON的工作原理如图1所示。

图1：固定导通时间(FON)架构的工作原理

　　与固定开关频率架构一样，固定导通时间架构也支持CCM和DCM这两种工作模式。它在这两种模式下的输出功率计算公式如下图所示。如上所述，峰值电流Ipeak通过控制器来保持恒定，开关频率Fsw则由反馈回路进行控制，而要适应不同的输出功率需求，开关频率会发生变化来满足图2中的等式。在缺少回路控制(短路，启动)时，开关频率会被钳位。

图2：FON控制器在不同工作模式下的输出功率计算

　
　　在满载条件下，开关频率则会增加，直至其碰到时序电容Ct钳位。而在轻载条件下，峰值电流减小，开关频率下降，这就限制了可听噪声的问题。在轻载时，由于开关频率的下降，与开关频率相关的损耗，如功率MOSFET输出电容Coss和门电荷损耗以及泄漏感抗损耗也会减少。这样一来，开关电源在轻载条件下的能效也会提高。因此，我们也可以得出结论，固定导通时间(FON)控制器可大幅提高开关电源在轻载条件下的能效。图3对不同PWM控制器架构进行了比较。

图3：反激开关电源中PWM控制器所涉及的不同控制器架构比较

　　瞄准低功率反激开关电源应用的NCP1351固定导通时间控制器

　　NCP1351是安森美半导体近期推出的一款高性能固定峰值电流(准固定导通时间)、可变关闭时间PWM控制器，瞄准低功率反激式开关电源应用，典型的终端产品应用包括辅助电源、打印机、游戏机、低成本适配器和离线电池充电器等对成本非常敏感的应用。

　　NCP1351在负载降低时会降低开关频率，使得采用NCP1351的电源能够提供卓越的空载能耗，并在其它负载条件下优化电源能效。当开关频率下降时，峰值电流会逐渐下降到最大峰值电流的大约30%，因此可防止变压器发生机械共振，从而大幅消除了出现可听噪声的风险，同时还能维持良好的待机功率性能。

　　NCP1351包括A、B、C和D等四个不同版本。NCP1351外围可调节的定时器能够持续监测反馈活动，并在出现短路或过载的条件下保护电源。一旦定时器逾时，NCP1351会停止开关，其中A版本会保持在闩锁状态，而B版本则会尝试重启。C版本和D版本则包含双过流保护极限跳变点(trip point)，从而允许在打印机等会出现大瞬态功率现象的应用使用这种控制器。当确认出现故障时，C版本会进行闩锁而D版本则会自动恢复。

NCP1351