利用固定導通時(shí)間控制器進(jìn)行設計，優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源輕載能效

作者：安森美半導體

　　由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開(kāi)關(guān)電源在現代電子系統中的使用越來(lái)越普及。特別是隨著(zhù)控制芯片的應用，開(kāi)關(guān)電源的電路設計得到了極大的簡(jiǎn)化，往往只需要在脈寬調制(PWM)控制芯片的基礎上再加一些外圍器件即可組成開(kāi)關(guān)電源，這更加促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的設計和發(fā)展。從種類(lèi)來(lái)看，開(kāi)關(guān)電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉換器和直流-直流(DC-DC)轉換器兩大類(lèi)型。前者是將輸入為50/60 Hz的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波等步驟將其轉換為直流電壓，后者廣泛用于對系統中的直流電源進(jìn)行轉換和分配。

　　根據拓撲結構的不同，DC-DC轉換器包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)、反激(Flyback)、正激(Forward)、推挽(Push-Pull)、半橋(HB)和全橋(FB)等不同類(lèi)型。不同類(lèi)型DC-DC轉換器的特點(diǎn)各不相同，并且往往有著(zhù)不同的適用領(lǐng)域。例如，降壓、升壓和降壓-升壓轉換器非常適合于無(wú)需電氣隔離的低壓控制應用，而反激式轉換器則非常適合多輸出、高電壓的電源應用，這些應用中使用的離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源工作在110 V/220 V主電源，并通過(guò)使用變壓器來(lái)取代濾波電感從而實(shí)現電氣隔離。

　　對于離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源而言，低成本是它的一個(gè)重要目標。對于其中所用的PWM控制器而言，設計人員可以選擇不同的架構，如固定頻率(FF)和準諧振(QR)等。對于前者而言，它的開(kāi)關(guān)頻率固定，其輕載能效和滿(mǎn)載能效都處于正常范圍，工作模式方面可以是連續導電模式(CCM)或非連續導電模式(DCM)。對于后者而言，它的開(kāi)關(guān)頻率可變，其滿(mǎn)載能效最佳，但在輕載時(shí)則由于谷底跳變問(wèn)題(噪聲)，它的工作模式是邊界導電模式(BCM，亦稱(chēng)臨界導電模式，CRM)。在變壓器尺寸方面，固定開(kāi)關(guān)頻率架構屬于正常，而準諧振架構則較大；但準諧振架構的電磁干擾較小，而固定開(kāi)關(guān)頻率架構則較大。對于這兩種架構而言，都面臨著(zhù)相同的問(wèn)題，就是必須提升在更寬輸入負載范圍下的能效，并改善待機能效。

　　除了這兩種架構，固定導通時(shí)間(FON)架構近年來(lái)越來(lái)越多地受到業(yè)界矚目。在這種架構下，峰值電流保持恒定，且可由用戶(hù)選擇；而開(kāi)關(guān)頻率則會(huì )變化(改變關(guān)閉時(shí)間)，以提供所需的輸出功率，它在頻率最高時(shí)提供的輸出功率也就最大。FON的工作原理如圖1所示。

                           圖1：固定導通時(shí)間(FON)架構的工作原理。

　　與固定開(kāi)關(guān)頻率架構一樣，固定導通時(shí)間架構也支持CCM和DCM這兩種工作模式。它在這兩種模式下的輸出功率計算公式如下圖所示。如上所述，峰值電流Ipeak通過(guò)控制器來(lái)保持恒定，開(kāi)關(guān)頻率Fsw則由反饋回路進(jìn)行控制，而要適應不同的輸出功率需求，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )發(fā)生變化來(lái)滿(mǎn)足圖2中的等式。在缺少回路控制(短路，啟動(dòng))時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )被鉗位。

　
 
      圖2：FON控制器在不同工作模式下的輸出功率計算。

　　在滿(mǎn)載條件下，開(kāi)關(guān)頻率則會(huì )增加，直至其碰到時(shí)序電容Ct鉗位。而在輕載條件下，峰值電流減小，開(kāi)關(guān)頻率下降，這就限制了可聽(tīng)噪聲的問(wèn)題。在輕載時(shí)，由于開(kāi)關(guān)頻率的下降，與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的損耗，如功率MOSFET輸出電容Coss和門(mén)電荷損耗以及泄漏感抗損耗也會(huì )減少。這樣一來(lái)，開(kāi)關(guān)電源在輕載條件下的能效也會(huì )提高。因此，我們也可以得出結論，固定導通時(shí)間(FON)控制器可大幅提高開(kāi)關(guān)電源在輕載條件下的能效。圖3對不同PWM控制器架構進(jìn)行了比較。

　
 
                  圖3：反激開(kāi)關(guān)電源中PWM控制器所涉及的不同控制器架構比較。

瞄準低功率反激開(kāi)關(guān)電源應用的NCP1351固定導通時(shí)間控制器

　　NCP1351是安森美半導體近期推出的一款高性能固定峰值電流(準固定導通時(shí)間)、可變關(guān)閉時(shí)間PWM控制器，瞄準低功率反激式開(kāi)關(guān)電源應用，典型的終端產(chǎn)品應用包括輔助電源、打印機、游戲機、低成本適配器和離線(xiàn)電池充電器等對成本非常敏感的應用。

　　NCP1351在負載降低時(shí)會(huì )降低開(kāi)關(guān)頻率，使得采用NCP1351的電源能夠提供卓越的空載能耗，并在其它負載條件下優(yōu)化電源能效。當開(kāi)關(guān)頻率下降時(shí)，峰值電流會(huì )逐漸下降到最大峰值電流的大約30%，因此可防止變壓器發(fā)生機械共振，從而大幅消除了出現可聽(tīng)噪聲的風(fēng)險，同時(shí)還能維持良好的待機功率性能。

　　NCP1351包括A、B、C和D等四個(gè)不同版本。NCP1351外圍可調節的定時(shí)器能夠持續監測反饋活動(dòng)，并在出現短路或過(guò)載的條件下保護電源。一旦定時(shí)器逾時(shí)，NCP1351會(huì )停止開(kāi)關(guān)，其中A版本會(huì )保持在閂鎖狀態(tài)，而B(niǎo)版本則會(huì )嘗試重啟。C版本和D版本則包含雙過(guò)流保護極限跳變點(diǎn)(trip point)，從而允許在打印機等會(huì )出現大瞬態(tài)功率現象的應用使用這種控制器。當確認出現故障時(shí)，C版本會(huì )進(jìn)行閂鎖而D版本則會(huì )自動(dòng)恢復。

　　NCP1351的內部結構體現了優(yōu)化的安排，它具有非常低的啟動(dòng)電流， 而啟動(dòng)電流在設計低待機功率電源時(shí)是一項基礎參數。NCP1351的負電流感測技術(shù)可將控制器工作時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲影響降到最小，并可供用戶(hù)選擇流經(jīng)電流感測電阻的最大峰值電壓。因此，它的功率耗散可針對具體應用來(lái)優(yōu)化。此外，降壓輸入紋波功能可確保自然的頻率拖尾，使得電磁干擾(EMI)信號變得更平滑。

　
 
                                  圖4：NCP1351的典型應用電路圖。

　　圖4顯示的是NCP1351的典型應用電路圖。NCP1351包含8個(gè)引腳，如圖所示。其中，1號引腳是FB引腳，在此引腳注入電流，降低頻率；2號引腳是時(shí)序電容Ct引腳，負責在沒(méi)有反饋電流時(shí)設定最大開(kāi)關(guān)頻率；3號引腳Cs負責檢測初級端電流；4號引腳為接地引腳；5號DRV引腳驅動(dòng)脈沖至功率MOSFET；6號引腳是Vcc引腳，為控制器提供最高可達28 V的電壓；7號引腳為閂鎖引腳，在此引腳高于5 V的正電壓完全閂鎖控制器；8號引腳為定時(shí)器引腳，設定故障確認前的持續時(shí)間。

基于NCP1351的GreenPointTM 40 W打印機電源參考設計

　　如上所述，NCP1351控制器非常適合打印機電源等應用。安森美半導體針對NCP1351提供了豐富的設計資源，包括《40瓦打印機電源設計AND8278》、《50瓦適配器電源設計AND8263》、《12瓦適配器電源設計》、《使用PWM開(kāi)關(guān)技術(shù)建?！返葢霉P記，以及“40瓦額定/80瓦峰值功率打印機電路板”和“57瓦適配器電路板”等評估板。安森美半導體還提供GreenPointTM 40 W打印機電源參考設計。此外，安森美半導體還提供一些設計和開(kāi)發(fā)工具，如NCP1351電感計算數據表，以及Spice模型(PSPICE和ISPICE)等仿真工具。

　　本文接下來(lái)具體就NCP1351在40 W打印機電源中的應用設計展開(kāi)探討，分析打印機電源當今所面臨的要求，以及NCP1351如何滿(mǎn)足這些要求。

　　眾所周知，隨著(zhù)全球變暖成為一項日常話(huà)題以及石油價(jià)格的竄升，全世界都開(kāi)始明白當前的能源使用方式不利于可持續發(fā)展。世界各地圍繞著(zhù)不同領(lǐng)域(如外部電源、家用電器等)涌現了許多倡議行動(dòng)。由于應用面非常廣泛且消耗的電量巨大，打印機自然而然地成為政府機構想要涉足的一個(gè)領(lǐng)域，以此提高電源的能效。這些倡議項目及組織非常之多，分布在日本、韓國、德國、歐洲和美國等地。在所在的標準倡議機構中，“能源之星(Energy Star)”是其中一個(gè)相當活躍的機構，該機構已經(jīng)就影印設備規范展開(kāi)工作。符合能源之星要求的打印機應可在一段時(shí)間的不工作狀態(tài)后自動(dòng)進(jìn)入低功率的“休眠”模式。根據獨立打印機處理紙張尺寸和色彩能力的不同，還有著(zhù)不同的“能源之星”規范要求。將打印機很大一部分時(shí)間保持在低功率的休眠模式不僅能夠節省電能，更可使打印設備工作時(shí)的溫度更低，且耐用時(shí)間更長(cháng)?！澳茉粗恰贬槍Υ蛴C等相關(guān)設備的1.0版規范已于2007年4月1日實(shí)施，第二階段的規范則將在2009年4月1日實(shí)施。

　　但問(wèn)題在于，現有的打印機電源適配器很少能夠滿(mǎn)足當前這些輕載條件下的能效要求和空載條件下的待機能耗要求，這還不說(shuō)更的嚴格要求正在涌現。此外，打印機電源適配器的總成本也必須極低，因為這是一個(gè)高度競爭的市場(chǎng)。因此，滿(mǎn)足這些能效和能耗要求，同時(shí)還維持打印機電源適配器的可靠性和性能水準就成為一項挑戰。

　
 
               圖5：基于NCP1351C的安森美半導體40 W GreenPointTM打印機電源參考設計。

　　幸運的是，采用NCP1351C控制器可以滿(mǎn)足上述挑戰。受益于它的固定峰值電流/可變關(guān)閉時(shí)間架構，采用NCP1351C的電源適配器在從額定負載到輕載條件(包括不同的打印機休眠模式)下都擁有較高的能效，并擁有極低的空載能耗。它在提供瞬態(tài)峰值功率的同時(shí)還提供多種有效的保護功能，如閂鎖過(guò)載、短路和過(guò)壓保護等。此外，與當前高水準的打印機電源適配器相比，NCP1351C所具有的獨特架構還使得采用它設計的打印機電源適配器所用的高壓輸入電容低1/3，從而在提供相同性能條件下節省了方案成本和尺寸。圖5顯示的是基于NCP1351C的安森美半導體40 W GreenPointTM打印機電源參考設計。該參考設計的規范如下所示：

輸入電壓：通用輸入85 Vac至265 Vac，47-63 Hz
電源輸出電壓：
 • 32 V / 1 A
 • 16 V / 0.625 A
峰值功率：
 • 80 W (32 V / 2.5 A和16 V / 0 A ) 持續40 ms
 • 62 W (32 V / 1.94 A和16 V / 0 A) 持續400 ms

能效要求：
 • 滿(mǎn)載(40 W)時(shí)> 80 %
 • 休眠模式(2 W和4 W)> 70 %
 • 空載條件下輸入功率Pin < 0.3 W

　
 
圖6：基于NCP1351C的安森美半導體40 W GreenPointTM打印機電源參考設計在不同輸出功率條件下的能效。

[總結]：在反激式開(kāi)關(guān)電源中，PWM控制器存在著(zhù)不同的架構，如固定開(kāi)關(guān)頻率和準諧振等；這兩種架構各有其特點(diǎn)，但它們都需要提升在更寬功率范圍下的能效，特別是輕載條件下的能效；而在這方面，固定導通時(shí)間(FON)架構則有著(zhù)其獨特的優(yōu)勢。安森美半導體的NCP1351就是一款高性能的電流模式PWM控制器，它基于固定峰值電流(準固定導通時(shí)間)、可變關(guān)閉時(shí)間技術(shù)，在負載降低時(shí)能降低開(kāi)關(guān)頻率，從而使得采用NCP1351的電源能夠提供卓越的空載能耗，并在輕載條件下提供更高的能效，非常適合于輔助電源、打印機、游戲機、低成本適配器和離線(xiàn)電池充電器等對成本非常敏感的終端產(chǎn)品應用。安森美半導體更針對NCP1351提供豐富的設計資源，其中包括高能效的40 W GreenPointTM打印機電源適配器參考設計，幫助客戶(hù)滿(mǎn)足日漸嚴苛的能效規范要求，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

供稿：安森美半導體