筆記本電腦電源適配器—應對效率挑戰

　　引言

　　不久之前，筆記本電腦的功能有限，如功率要求僅為50-70瓦(W)。近年來(lái)，功率要求攀升到100 W范圍以上，但重量和尺寸的期望沒(méi)有相應地改善。此外，需要滿(mǎn)足規范中的低待機功率性能、外部電源(EPS)效率要求和IEC1000-3-2對75 W以上輸入功率的諧波要求使這一挑戰更加難應對。本文探索能使電源制造商應對這些挑戰的新近趨勢，并提供不同替代解決方案以供選擇。

　　隨著(zhù)筆記本電腦的功能日益豐富，其功率要求也提高了。此外，因為電池容量(或密度)提高了，充電要求也提高了——因此，筆記本電腦適配器的功率要求提高了一倍。然而，對于世界各地上百萬(wàn)攜帶筆記本電腦的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，更大和/或更熱的電源適配器并非太具吸引力的選擇。能夠吸引人的是擁有一個(gè)輕巧小型，但能立即充電的筆記本電腦適配器。當然，它不會(huì )產(chǎn)生熱量，而且不會(huì )花費太多。近年來(lái)電子產(chǎn)品的發(fā)展并未增加我們在這方面的希望，而且未來(lái)的革命是否能夠實(shí)現依然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。我們也想要用一個(gè)筆記本適配器就能在全球使用，而無(wú)需110/220伏工作電壓選擇開(kāi)關(guān)——因此，筆記本電腦適配器必須為真正通用的線(xiàn)路電壓工作設計。同時(shí)，監管方和OEM的期望也起到一定的作用。

　　監管機構希望筆記本電腦適配器不會(huì )浪費能源或在用電線(xiàn)路中加入諧波。第一個(gè)因素是適配器不帶任何負載插入插頭后，它應該盡可能少的吸收功率(待機要求)。人們一般習慣將筆記本電腦適配器插在插座上，卻并未連接電腦，該要求就可防止此情況下產(chǎn)生的損耗。第二個(gè)因素是近期的規定，它要求在不同負載條件下(25%、50%、75%和100%)有特定的平均電源工作效率，并由全球各規范機構執行，以便推動(dòng)遵從該規范并降低間接費用。最后，歐盟和日本強制執行的降低諧波要求已開(kāi)始應用于筆記本電腦電源適配器，因為它們已經(jīng)超過(guò)了這些標準規范的75 W輸入功率門(mén)限。在某種意義上，筆記本電腦適配器的移動(dòng)/通用特性使其成為受IEC1000-3-2規范的首個(gè)量產(chǎn)電源產(chǎn)品。

　　現有的解決方案和方法

　　現有的筆記本電腦轉換器一般采用反激拓撲結構進(jìn)行脈沖寬度調制(PWM)轉換。這是多年來(lái)最有效的解決方案(在成本和技術(shù)上)。如圖1所示，用于筆記本電腦適配器的典型反激轉換器在通用輸入電壓范圍(90-265 V ac)工作，而且因為采用了安森美半導體推出的高度集成的PWM控制器解決方案，使用的元件數量較少。若適配器的功率電平低于75 W，則不需額外的功率段。這些適配器的主要性能標準是功率密度(封裝尺寸的要求)、安全性和低外殼溫度。而控制的主要方法是用經(jīng)典UC384x系列實(shí)現的電流模式控制。然而如圖1所示，如今的筆記本電腦適配器采用不同的PWM控制器(如安森美半導體的NCP1200)。新一代PWM控制器優(yōu)于UC384x的是：

　　* 更高集成水平減少了許多外置元件，同時(shí)依然保有電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)；

　　* 能夠進(jìn)入跳周期模式，以減少待機和輕載損耗；

　　* 能夠用高壓(HV)輸入啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)電路中的損耗和元件成本；

　　* 無(wú)需集成電路中的誤差放大器電路，因為錯誤處理在次級完成；

　　* 易于符合安全性和EMI，以便更快投放市場(chǎng)。

　　然而，對于超過(guò)75 W功率要求的電源適配器，筆記本電腦制造商面臨一種選擇。他們可為通用應用設計適配器并為需要PFC(歐洲和日本)的市場(chǎng)加入功率因數校正(PFC)段或采用單獨的設計。增加PFC段增加了復雜度和成本，使設計更具挑戰性。此應用中的典型設計應用如圖2所示的臨界導電模式(CRM)升壓PFC段。

　　CRM PFC設計采用如圖2所示的MC33262控制器。這一簡(jiǎn)單的8引腳控制器可輕松實(shí)現功率因數校正。在臨界導電模式中，可以實(shí)現一些電路水平優(yōu)勢，如無(wú)二極管恢復問(wèn)題和更低開(kāi)關(guān)損耗。

　　雖然制造商采用這一方法已在現有設計中體現可接受的性能和成本，但仍需加以改進(jìn)以滿(mǎn)足日益涌現的要求。

　　2段解決方案的改進(jìn)

　　近年來(lái)，很多針對性的解決方案的出現為2段方案提供了更佳的選擇。

　　在PFC方面，盡管主要采用CRM方法，但存在明顯限制。首先，它以可變開(kāi)關(guān)頻率模式工作，而且開(kāi)關(guān)頻率在零交叉和輕載情況下可升至頗高。這個(gè)可變頻率給濾波和低待機能耗帶來(lái)了問(wèn)題。NCP1601(圖3)引入了一種新的解決方案，它吸取了臨界模式方法的最佳特性，同時(shí)限制開(kāi)關(guān)頻率并提高待機性能。在此解決方案中，控制器可在非連續導電模式(DCM)和臨界導電模式間無(wú)縫地切換，且不會(huì )影響功率因數校正。線(xiàn)路電壓在或臨近零交叉和在更輕載情況下，控制器以真正定頻DCM PFC模式工作。滿(mǎn)載且在線(xiàn)路波形峰值附近時(shí)，控制器切換至臨界模式，因此限制峰值電流值不會(huì )變得過(guò)高。

　　此外，近年來(lái)PFC實(shí)施中可用的分立元件也走過(guò)一段漫長(cháng)的道路。PFC MOSFET要求500伏的額定值，而推出低Rds-on和小門(mén)極電荷的MOSFET對此有巨大的幫助。CRM或DCM電路中的升壓二極管要求不同特性而且制造商已開(kāi)始推出各種元件，如MUR450PF，來(lái)迎合這些需求。

　　這些改進(jìn)的最終結果是，增加PFC從成本角度而言對適配器設計不是很大的負擔，同時(shí)能夠在滿(mǎn)載、低線(xiàn)路效率時(shí)獲得約95%的效率和<300 mW的待機能耗。這些性能顯然使適配器設計人員能滿(mǎn)足OEM的規范要求。

　　在SMPS方面，一個(gè)重要的趨勢是使用谷底開(kāi)關(guān)反激轉換器替代傳統的定頻反激拓撲。該方法效率更高，EMI更低。與CRM升壓拓撲面臨的問(wèn)題相似，谷底開(kāi)關(guān)拓撲明顯受到頻率的變化影響，該頻率變化是線(xiàn)路和負載的函數，可產(chǎn)生高EMI和待機功耗。近期控制技術(shù)的創(chuàng )新使該產(chǎn)業(yè)得以解決這些問(wèn)題—拓展了谷底開(kāi)關(guān)方案在筆記本適配器上的應用。

　　傳統的谷底開(kāi)關(guān)算法以檢測MOSFET漏極電壓達到最小點(diǎn)進(jìn)行工作并在該點(diǎn)導通FET，如圖4所示。然而，根據負載和線(xiàn)路條件，該谷底點(diǎn)可迅速達到，因此產(chǎn)生高開(kāi)關(guān)頻率和高開(kāi)關(guān)損耗。遺憾的是，此現象發(fā)生在低功耗至關(guān)重要的輕載時(shí)。新型控制器，如NCP1337包含跳過(guò)谷底算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如圖4所示，若谷點(diǎn)的開(kāi)關(guān)頻率高于設定的開(kāi)關(guān)頻率，MOSFET導通將延遲至下一個(gè)可用谷點(diǎn)。

　　最后，由于特殊的啟動(dòng)、故障模式和待機要求，需要謹慎處理PFC段和SMPS段間的接口(包括相序和信號交換)。比如，許多設計人員喜歡在啟動(dòng)、待機和故障模式中關(guān)閉PFC段。采用這種方法就不會(huì )有PFC段產(chǎn)生的功耗。然而，它對SMPS段帶來(lái)額外的負擔，因為它必須能夠支持整個(gè)輸出功率而無(wú)PFC前端升壓輸入的幫助。通常反激轉換器處理的輸入范圍更寬，而且由于PFC關(guān)閉，輸出提供全部功率的持續時(shí)段并不長(cháng)，所以無(wú)需保險設計功率段。接口要求可用許多新型控制器中含有的創(chuàng )新解決方案進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理(圖5)。此解決方案集成至智能PWM控制器，可識別所有PFC須關(guān)閉的模式。PWM控制器有一個(gè)為PFC提供偏置電壓的輸出引腳——按要求關(guān)閉PFC控制器和PFC段。這個(gè)簡(jiǎn)單的機制適用于任何PFC控制器，因此不受限制。

　　單段替代方案

　　設計符合PFC要求的筆記本電腦適配器自然要解決如何消除雙功率處理段負擔的問(wèn)題。獲得高效率和成本高效單段功率轉換是設計人員的長(cháng)期追求。雖然存在許多單段解決方案，但它們仍有一些限制，分別是：

　　1. 輸出電壓紋波包含低頻元件，不采用額外的儲能電容不能將其從本質(zhì)上消減。

　　2. 許多方案嘗試使用電流導向在低輸出電壓紋波和低THD之間取得較佳的取舍。這些折中需要在每種設計中投入額外的精力。

　　3. 特殊的規定，如輸出紋波、瞬態(tài)響應和保持時(shí)間比2-段解決方案更難滿(mǎn)足。

　　若單段解決方案要在筆記本電腦適配器中占有一席之地，那么它需要在OEM、電源設計人員和關(guān)鍵電路元件經(jīng)銷(xiāo)商間進(jìn)行三方合作，以提供最佳解決方案。OEM需要確定他們是否能對規格作出讓步，如允許的輸出紋波、瞬變和保持時(shí)間，以節約系統電平。電源設計人員需在開(kāi)發(fā)/優(yōu)化創(chuàng )新單段解決方案中投入時(shí)間和精力。最后，元件供應商，如半導體公司和磁芯公司必須了解系統的需要并提供合適的解決方案。

　　這種合作的一個(gè)例子是開(kāi)發(fā)適配器設計解決方案以滿(mǎn)足領(lǐng)先筆記本電腦OEM的規格。該方案采用安森美半導體的NCP1651作為磁芯控制器，能滿(mǎn)足所有的性能目標，且大幅節省成本。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，與OEM的交流也達成了一些規格折中方案，因此能節約更多的成本和空間。原型照片 (圖6)顯示可減小輸出電容的大小來(lái)符合修改規范。有了這個(gè)方案改善成本和性能，OEM可提供符合所有電源要求的PFC適配器，并進(jìn)一步協(xié)調供應鏈。同時(shí)，他們也為更清潔的電源環(huán)境作出了重要的貢獻。

　　未來(lái)的方向和結論

　　無(wú)論采用單段架構或傳統的2段，性能要求不會(huì )一直不變。電源公司及其伙伴必須保持創(chuàng )新。某些相鄰領(lǐng)域能促進(jìn)其發(fā)展，如輸出同步整流，更創(chuàng )新的恒流/恒壓(CCCV)電路和輸入線(xiàn)路整流的更佳解決方案。此外，對于更高功率的2段解決方案，可以考慮其它拓撲結構，如諧振或鉗位模式拓撲。

　　最后決定哪個(gè)方法最適合筆記本適配器取決于各種因素，如設計人員熟悉程度，元件供貨和成本以及OEM規格。然而，表1總結了本文所列出的各種選擇方案。若筆記本電腦制造商能與電源制造商和主要的元件供應商，如半導體廠(chǎng)商在系統級層面合作，就能出現更好的方案，來(lái)滿(mǎn)足終端用戶(hù)的需要并進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)曲線(xiàn)。