功率小于75W的极低待机功耗适配器设计及应用

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。

表1：美国环保署"能源之星"外部电源的1.1及2.0版规范。 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75 W的电源需要增加功率因数校正(PFC)，低于75 W则无此要求。本文着重讨论功率低于75 W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。 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，我们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等式(1)和等式(2)来量化： 从这两个等式中可以看出，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。 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(参见图1)，帮助降低待机能耗，减少元件数量及节省电路板空间。 图1：带启动电阻与不带启动电阻(内置电压启动电流源)对比。 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25 kHz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。 图2：NCP1238典型应用电路图。 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75 W，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。我们可以根据相关公式计算出初级峰值电流，然后计算出过载补偿电阻值(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。