高能效、小外形的240W電源適配器參考設計

電源適配器的發(fā)展趨勢是高頻高密度及小型化，為了滿(mǎn)足散熱的要求，高效率是最重要的指標之一，所以對于數百瓦的電源方案，圖騰柱PFC及LLC架構是目前最好的選擇。安森美(onsemi)最新推出的240 W圖騰柱PFC配合最新的電流模式LLC控制器所做的48V5A參考設計(圖1)，在230Vac和48V輸出條件下，四點(diǎn)平均能效達到94.76%，在230Vac和48V5A時(shí)，效率高達96.5%, 待機功耗在300mW以下，且PCBA尺寸僅89mm x 53mm x 21 mm，功率密度為39.7W/立方英寸，并且采用低成本的雙層PCB設計，是下一代PD3.1 EPR多口快充、工業(yè)通信電源、電動(dòng)工具快充等的理想選擇方案。

圖1：240W圖騰柱PFC配合高頻LLC控制器的超高密度電源適配器參考設計方案

該方案的PFC使用NCP1680 CRM模式，具有谷底同步頻率反走的圖騰柱PFC控制器，配合2只65mohm的SJ FET和2只50mohm的drive GaN，組成高效的PFC電路（圖2），在90Vac和滿(mǎn)載情況下PFC的效率高達97%, 在后級輕載模式下PFC自動(dòng)進(jìn)入間歇工作模式以降低開(kāi)關(guān)損耗。

圖2：240W圖騰柱PFC電路原理圖

PWM部分使用安森美的NCP13994高頻電流模式LLC 控制器及2只75mohm的drive GaN組成。同步整流控制器使用兩只NCP4306獨立控制每一路輸出，使得layout非常簡(jiǎn)單合理，輸出整流采用120V,4mohm的SJ FET FDMS4D0N12C（圖3）。

提高工作頻率可縮小電源尺寸，該LLC設計的諧振頻率在200KHz左右，在PFC輸出為390V、輸出滿(mǎn)載的情況下，LLC實(shí)際工作頻率達~175 KHz。為了提高LLC輕載的效率，LLC被設計在標準skip模式下工作，并且skip in和skip out的負載點(diǎn)可以通過(guò)兩個(gè)外部電阻任意設定。LLC的brown out功能是通過(guò)PFC OK端子產(chǎn)生的對應于PFC輸出的電流源產(chǎn)生的電壓，再通過(guò)VBULK腳的外部分壓電阻來(lái)任意設定，由于PFCOK的最高輸出電壓只有5V，所以這個(gè)外部的分壓電阻產(chǎn)生的損耗可以或略不計。

PFC和LLC的啟動(dòng)電壓都是通過(guò)LLC的高壓恒流源來(lái)提供，由于PFC的啟動(dòng)電壓低（10V左右），所以當LLC的高壓恒流源給VCC電容充電到PFC的Vcc_on電壓后PFC開(kāi)始工作，PFC的輸出電壓開(kāi)始上升，同時(shí)LLC的高壓恒流源繼續給Vcc電容充電, 在到達LLC的Vcc_on電壓以前PFC的輸出電壓達到正常值，PFCOK信號正常，VBULK電壓達到1V門(mén)限電壓以上，這時(shí)VCC電壓升到Vcc_on的開(kāi)啟電壓后LLC開(kāi)始工作， 整個(gè)啟動(dòng)工作完成進(jìn)入正常操作狀態(tài)。

變壓器初次級各有一個(gè)獨立的繞組經(jīng)全波整流后給初級及次級供電。由于次級同步整流IC的VCC電壓及參考基準NCP431的電壓限制，為了降低不必要的損耗加上了次級的輔助供電繞組。

圖3：LLC部分DC-DC原理圖

能效測試

該方案在全電壓范圍段的輸入功率小于300mW, 待機功耗，48V下PF曲線(xiàn)及滿(mǎn)載能效曲線(xiàn)如下圖4。PFC的輸入電壓電流波形及LLC的輕載SKIP波形如圖5和圖6。

圖4：待機功耗和能效曲線(xiàn)

圖5：TPPFC的操作波形

圖6：LLC的SKIP波形

安全保護功能

該高頻高密度電源方案集成豐富的安全和保護功能，包括：過(guò)壓保護(OVP)、過(guò)流保護(OCP)、短路保護(SCP)、過(guò)溫保護、開(kāi)環(huán)保護、X2電容放電等。OVP和OTP保護可以通過(guò)LLC fault腳外部的穩壓管及NTC來(lái)設定。OCP及SCP可以通過(guò)LLC的CS腳的電流取樣電路來(lái)設定，開(kāi)環(huán)保護通過(guò)FB的最大電壓檢測來(lái)實(shí)現。

熱性能測試

由于非常高的效率，該方案在沒(méi)有加任何導熱材料及主動(dòng)散熱的情況下，靠自然散熱得到下列的熱成像圖（圖7），該熱成像圖是在滿(mǎn)載工作30分鐘后測得。

圖7：240W超高密度電源適配器參考設計熱成像