安森美半导体内外部电源适配器最新解决方案

2008-07-30 10:12:20   作者：安森美   来源：电子工程世界

        1)输入功率小于75 W的适配器应用

    如上所述，在输入功率小于75 W时，外部电源无需PFC，系统主要只是PWM段，其结构示意图如图1所示。这种情况下，通常采用的是反激式拓扑结构，适配器既能工作在固定频率(FF)，也能工作在可变频率(VF)的控制器(特别是就准谐振模式而言)。在额定负载和轻载条件下，要同时实现较高能效，关键就在于要采用能够根据负载状况调整工作模式的智能控制器。

 图2：功率小于75 W的电源适配器架构

    针对这类应用，安森美半导体推出了一系列的PWM控制器解决方案。其中，就功率介于10 W至50 W范围的应用而言，可以采用NCP1351和NCP1216等器件。其中，NCP1351采用固定导通时间、可变关闭时间电流模式控制技术，会在负载变低时降低开关频率，可以提供卓越的空载能耗，并在轻载条件下提供最佳的能效表现；当频率下降时，峰值电流逐渐下降到最大峰值电流的大约30%，能够避免变压器发生机械共振，从而大幅消除可听噪声，并保持良好的待机能耗表现。值得一提的是，安森美半导体推出了基于NCP1351的GreenPoint^TM 40 W打印机电源适配器参考设计。这参考设计的待机能耗低于150 mW，而目前常用的40 W打印机在相似情况下能耗约为450 mW。在额定负载条件下，该设计的能效高达85%；而其采用的频率反走技术，也令其在高于2 W的轻载条件下能效高于80%。除了NCP1351和NCP1216，安森美半导体还将推出NCP1217和NCP1380等新器件。

    而在40 W至70 W的功率应用范围，也可采用NCP1271、NCP1219和NCP1288等固定频率控制器(其中NCP1219和NCP1288为新产品，即将推出)，还可采用NCP1377、NCP1337和NCP1380等可变频率控制器。

    除了PWM控制器，功率小于75 W的电源适配器中，还可采用其它的众多安森美半导体器件。如在电压反馈环节，可以采用TL431、TLV431、NCP100和NCP4300(用于第二代恒流恒压适配器)等分流稳压器。而在整流器和MOSFET方面，安森美半导体同样提供众多适用的器件，其中包括电压介于45至100 V、电流介于3至10 A的所有H系列和L系列肖特基二极管，以及NCP4302控制器。以NCP4302为例，这是一款集成型同步整流(SR)控制器与驱动器，集成了在反激转换器中应用同步整流技术所需的全部控制和保护功能，支持任何类型的反激拓扑结构图 (连续导电模式、准谐振模式或不连续导电模式)，非常适合于适配器、充电器和机顶盒等空间敏感型应用。

        2)输入功率大于75 W的应用

    相反，根据IEC61000-3-2标准，如果输入功率大于75 W，则需要增加PFC，即构成PFC+PWM的两段式外部电源架构，如图3所示。在这种功率等级的PFC段中，临界导电模式(CRM)应用得非常广泛；而在主转换器段，则有反激、正激有源钳位和谐振LLC等多种拓扑结构可供选用。

图3：输入功率大于75 W的PFC+PWM两段式外部电源架构示意图。

    如果我们把大于75 W这个功率范围进一步细化，可将其分为75至120 W和120至250 W这两个细分范围应用。其中，就75至120 W功率应用而言，可以采用NCP1606这样的CRM PFC控制器。实际上，在功率等级低于150 W的应用中，CRM是一种非常适合的PFC方案。安森美半导体的NCP1606是一款有源PFC控制器，特别设计用于在电子镇流器、AC-DC电源适配器和其它中等功率离线转换器(通常功率最高可达300 W)中用作预转换器。它嵌入了CRM机制，在多种输入电压和功率等级范围下，都能够持续提供接近1的功率因数。它集成了可编程过压保护、欠压保护、精确及可编程的导通时间限制和过流限制等保护功能，非常适合用作强固PFC段中的驱动器。

    在适合75至120 W功率范围应用的PWM控制器方面，可以选用安森美半导体的NCP1230、NCP1381、NCP1382、NCP1651和即将推出的NCP1652等。实际上，传统有源PFC拓扑结构中，通常采用开关型升压电路，开关频率在几十至几百kHz之间，相应的开关损耗不可小视。NCP1230固定频率电流型PWM控制器和NCP1381谐振振电流模式PWM控制器具有在待机状态下关闭PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一 个专用的引脚用来连接PFC控制器的VCC引脚。当芯片检测到系统进入待机时，会自动切断PFC 的VCC供电，这等于省去一个损耗环节，可以实现超低待机能耗。

    而在120至250 W功率范围，可以采用NCP1651/NCP1652这样的单段式集成型PFC控制器。而在这个功率范围的PWM控制器方面，安森美半导体也提供了众多适用的解决方案，如NCP1337、NCP1381、NCP1382、NCP1396和即将推出的NCP1392和NCP1901等产品。

    对于输入功率大于75 W的电源适配器应用而言，同样可以选用TL431和NCP4300这样的分流稳压器，以及所有H系列和L系列的肖特基二极管和MOSFET、TO220AB和TO220FP等可控硅整流器与NCP4302同步整流驱动器。

    在这个功率等级，为了帮助客户加快设计，安森美半导体还推出了GreenPoint^TM 200 W游戏机适配器参考设计。这参考设计采用NCP1562开关电源控制器、NCP1014待机稳压器以及TL431分流稳压器等重要元器件，符合“能源之星”针对游戏机电源适配器的要求，待机能耗低于1 W，在满载时能效高于88%；值得一提的是，这参考设计还可进行修改，针对需要PFC的市场将PFC功能增添进去。

        3)单段PFC解决方案

    如前所述，与PFC+PWM两段式架构相比，单段PFC是一种较为新颖的架构，使用的元器件数量更少，为两段式架构提供了良好的替代选择，而且这种架构在较高输出电压(大于15 V)和中等功率(75至150 W)下工作得更好。

    针对这个应用空间，安森美半导体提供了NCP1651这样的集成控制器，并即将推出升级版的NCP1652。安森美半导体还推出了基于NCP1651的GreenPoint^TM 90 W笔记本适配器参考设计，该参考设计能够降低解决方案成本超过15%，只使用1个磁性元件(电感)、1个控制IC、1个高压开关器件(高压MOSFET)及1个整流器，相比较PFC+PWM两段式架构，减少了元器件使用数量，具有更高的电源能效和功率密度，还符合OEM对适配器外壳温度上升和泄漏电流的要求。

表2：基于NCP1651的单段90 W适配器与竞争产品的能效测试结果对比。

    此外，从某独立设计公司基于NCP1651设计的90 W单段式适配器与某厂商的两段式90 W适配器的能效测试结果对比(如表2)可以看出，基于NCP1651的方案拥有更佳的工作能耗和更低的空载能耗。

    总结

    本文探讨及分析了通用电源适配器市场的趋势，如工作能效和待机能耗要求越来越高、某些OEM拥有独特能效要求、某些规范的局部要求放松使得单段PFC方案获得更大发展动力以及电源适配器的功率需求越来越高和体积要求越来越小等。还相应地分析了电源适配器所面临的挑战，并结合不同功率等级的应用，探讨了其应用的要求以及可以采用的安森美半导体解决方案。作为全球领先的高能效电源解决方案供应商，安森美半导体不仅提供针对电源适配器应用的一系列PFC控制器、PWM控制器、分流稳压器、功率MOSFET和整流器，还提供高能效、低能耗的GreenPoint^TM参考设计，用于笔记本、游戏机、LCD显示器和游戏机等一系列应用，帮助客户缩短开发时间，加快产品上市进程。