超薄筆記本電腦電源適配器設計

對于力求新穎別致的筆記本電腦而言，它應該外形纖薄，且越薄越好，當然，它的電源也應如此。但要以合理的成本設計出能夠裝入厚度不足15毫米的機殼中的電源非常具有挑戰性。盡管筆記本電源必須滿(mǎn)足所有標準規范，但在超薄型適配器中并沒(méi)有為體積較大的散熱片或散熱器預留空間。因此，為減少熱量產(chǎn)生，電源應具有極高效率，且必須對其進(jìn)行有效的散熱設計。

本文介紹反激式轉換器的一種創(chuàng )新設計方法，它通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)來(lái)提升所有功率水平的效率，并實(shí)現超低空載功耗。這種設計方法可使制造商以與標準“磚塊式”筆記本適配器相當的成本生產(chǎn)出超薄筆記本適配器，同時(shí)這些超薄筆記本適配器的性能還超出了能源之星EPS v2.0的功率效率要求和其它全球性能效標準。

TOPSwitch-HX在單個(gè)IC封裝中集成了一個(gè)700V MOSFET、MOSFET柵極驅動(dòng)和一個(gè)用戶(hù)可選擇限流點(diǎn)的PWM控制器。在使能狀態(tài)下，控制器的振蕩器在每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)導通功率MOSFET。當電流達到限流點(diǎn)或達到反饋信號設置的占空比(PWM控制)時(shí)，MOSFET才會(huì )關(guān)斷。PWM控制器關(guān)斷MOSFET后，變壓器繞組間的電壓開(kāi)始反向，輸出二極管被正向偏置，電流開(kāi)始流入次級繞組，從而補充輸出電容中的電荷并將電流供應給負載。

PWM控制在高功率下可提供較高的效率，但當功率下降到中低水平時(shí)，效率將會(huì )隨之降低。我們可以通過(guò)分析開(kāi)關(guān)電源中損耗產(chǎn)生的原因來(lái)探究其中的緣由。電源中有兩種基本損耗：電流流動(dòng)產(chǎn)生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負載產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗。阻性損耗是電流均方根(RMS電流)的函數，因此，當功率水平較高時(shí)，阻性損耗就相當大。開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成比例。因此一般情況下，當功率較低時(shí)，將會(huì )出現開(kāi)關(guān)損耗(隨頻率變化而變化)，從而嚴重限制電源的效率。

通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率保持在較低水平，可以降低開(kāi)關(guān)損耗，從而提高中低功率下的效率。不過(guò)，通過(guò)提高頻率可以減小某些元件(如變壓器、輸出電容和后級LC濾波器等)的尺寸，這一點(diǎn)對于設計薄型筆記本適配器很有利。

集成在TOPSwitch-HX器件中的700V MOSFET采用特殊制造技術(shù)，能以132kHz頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，其總體損耗比以更低頻率工作的其它同類(lèi)MOSFET產(chǎn)品低得多。利用132kHz的開(kāi)關(guān)能力，PI研發(fā)出一種名為SlimCore的薄型變壓器架構，這樣就可以在薄型筆記本適配器應用中采用低成本的線(xiàn)繞變壓器。

為克服PWM控制常見(jiàn)的效率限制問(wèn)題，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎，以?xún)?yōu)化所有功率水平下的開(kāi)關(guān)頻率和均方根(RMS)電流(圖2)。

在高負載條件下，TOPSwitch-HX控制器工作于全頻PWM模式，此時(shí)用戶(hù)既可使用尺寸較小的元件，又可實(shí)現高效率。隨著(zhù)負載的降低，控制器也降低頻率，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。它先切換到變頻模式，然后切換到頻率較低的固定頻率PWM模式。當負載極輕時(shí)，控制方式從PWM控制模式開(kāi)始切換，并采用多周期調制控制算法。TOPSwitch-HX能根據經(jīng)由光耦器饋入到控制引腳的反饋電流(圖1)，自動(dòng)在各控制模式間切換。

在高負載條件下，全頻PWM模式可實(shí)現高效率開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)頻率選定為132kHz，這樣能減小變壓器尺寸，同時(shí)能使開(kāi)關(guān)頻率保持在150kHz步降開(kāi)關(guān)以下，從而符合傳導EMI標準。占空比與反饋到控制引腳的控制電流呈線(xiàn)性函數關(guān)系并隨之減小。

隨著(zhù)輸出負載的降低，TOPSwitch-HX控制將切換至變頻模式(VFM)。在此模式下，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率會(huì )從132kHz的初始全頻(或66kHz，取決于用戶(hù)的選擇)下降到30kHz。占空比隨著(zhù)負載的降低而減小，這一過(guò)程通過(guò)延長(cháng)開(kāi)關(guān)脈沖之間的關(guān)斷時(shí)間來(lái)完成。開(kāi)關(guān)頻率的降低導致開(kāi)關(guān)損耗下降，并可在負載降低時(shí)維持電源效率恒定不變。

隨著(zhù)電源負載進(jìn)一步降低和開(kāi)關(guān)頻率達到30kHz，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式。在此模式下，通過(guò)調整MOSFET導通時(shí)間，可使開(kāi)關(guān)頻率保持在音頻波段以上并維持輸出穩壓。開(kāi)關(guān)頻率保持恒定不變且占空比減小，工作方式與全頻PWM模式相同，都通過(guò)縮短MOSFET導通時(shí)間來(lái)實(shí)現。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值，即設定流限值的25%，這樣可以在低功率時(shí)保持高效率，避免音頻噪聲問(wèn)題。

TOPSwitch-HX進(jìn)入其最后的工作模式，即多周期調制模式，以支持超低負載要求。當峰值漏極電流降到設定流限值的25%時(shí)，控制器便會(huì )切換到多周期調制模式。在此模式下，每當根據回路要求傳導能量時(shí)，功率MOSFET將以30kHz的開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)，且至少持續135μs。這將產(chǎn)生一組至少四到五個(gè)的開(kāi)關(guān)脈沖，這些脈沖的峰值初級電流固定為設定流限值的25%，且不受控制環(huán)路的影響。135μs的強制性最小開(kāi)關(guān)時(shí)間過(guò)后，控制器將以逐周期的方式對來(lái)自環(huán)路的反饋信號作出反應。隨后MOSFET關(guān)斷，直至控制引腳電流降到預設值以下。這種工作模式可使與峰值漏極電流成比例的變壓器磁通密度減小，繼而將變壓器發(fā)出的音頻噪音降至最低，同時(shí)還可以避免6kHz到15kHz之間的開(kāi)關(guān)頻率。常采用的反激式轉換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介于此頻率范圍內。多周期調制功能可有效地將每個(gè)平均開(kāi)關(guān)頻率控制在所需的音頻范圍內，保持輸出穩壓，同時(shí)避免出現前面提到的磁芯自諧振頻率。因此，與更為傳統的突發(fā)工作模式不同的是，多周期調制能確保音頻噪音得到有效抑制，同時(shí)還可提高工作效率。

上述控制模式為電源設計師提供了內置的設計方法。該方法可在整個(gè)功率范圍內實(shí)現高效率，但對設計師而言，仍還有許多工作要做。電源設計必須要安全地解決所有故障情況和最差情況下的元件容差問(wèn)題。在以非連續導通模式(DCM)工作的反激式轉換器中，輸出到負載的功率與開(kāi)關(guān)頻率、變壓器初級電感量以及峰值初級電流平方均成比例。因此，這三個(gè)參數的微小變化便可導致過(guò)載電流遠遠超出故障條件下的額定輸出值。為構建能經(jīng)受此類(lèi)故障的電源，就必須采用較大的元件，但這卻會(huì )給薄型筆記本適配器設計帶來(lái)空間和散熱兩大難題。

TOPSwitch-HX已解決了上述難題。TOPSwitch-HX引入額外的電路，并在最終測試中采用參數調整技術(shù)，以控制開(kāi)關(guān)頻率與流限值平方的乘積的最大值和最小值，這在數據手冊中用一個(gè)新的參數來(lái)表征，即功率因數(I2f)。

在圖3中，對TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch-GX(無(wú)I2f調整)的工作區域進(jìn)行了比較。去除特性曲線(xiàn)的左下方區域(I2f=0.81)，TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過(guò)變壓器傳導的最小能量。這樣，使用一個(gè)初級繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器，即足以在最差情況下提供指定的輸出電流。去除右上方區域(I2f=1.21)可降低最大過(guò)載功率，同樣，使用一個(gè)初級繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器也可以實(shí)現這一點(diǎn)，從而降低電路中許多元件的最大功率要求。在TOPSwitch-HX中引入I2f調整技術(shù)，是設計薄型筆記本適配器的關(guān)鍵促成因素。該技術(shù)可在給定設計中使給定的變壓器磁芯尺寸提供更多功率輸出，使過(guò)載功率與額定功率的比率大幅降低，并使導通損耗更小。

集成多模式控制及I2f調整功能的TOPSwitch-HX器件，13.5mm的凈空高度可容納整個(gè)電源，而制造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當。該設計的平均功率效率大于87%，超出了能源之星EPS v2.0的要求。當采用交流230V輸入時(shí)，電路空載功耗可降到300mW以下，遠遠低于能源之星所允許的500mW空載功耗。

綜上所述，采用TOPSwitch-HX的超薄型筆記本適配器不再昂貴。所有筆記本適配器都可以采用這種方式進(jìn)行設計和制造，既節省材料又節約能耗。超薄型筆記本適配器可節省功率和成本。