利用固定導(dǎo)通時(shí)間控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化開關(guān)電源輕載能效

作者：安森美半導(dǎo)體

　　由于擁有較高的效率和較高的功率密度，開關(guān)電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的使用越來越普及。特別是隨著控制芯片的應(yīng)用，開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)得到了極大的簡(jiǎn)化，往往只需要在脈寬調(diào)制(PWM)控制芯片的基礎(chǔ)上再加一些外圍器件即可組成開關(guān)電源，這更加促進(jìn)了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和發(fā)展。從種類來看，開關(guān)電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉(zhuǎn)換器和直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器兩大類型。前者是將輸入為50/60 Hz的交流電經(jīng)過整流、濾波等步驟將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，后者廣泛用于對(duì)系統(tǒng)中的直流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分配。

　　根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，DC-DC轉(zhuǎn)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)等不同類型。不同類型DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)各不相同，并且往往有著不同的適用領(lǐng)域。例如，降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器非常適合于無需電氣隔離的低壓控制應(yīng)用，而反激式轉(zhuǎn)換器則非常適合多輸出、高電壓的電源應(yīng)用，這些應(yīng)用中使用的離線式開關(guān)電源工作在110 V/220 V主電源，并通過使用變壓器來取代濾波電感從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

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

　　除了這兩種架構(gòu)，固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)架構(gòu)近年來越來越多地受到業(yè)界矚目。在這種架構(gòu)下，峰值電流保持恒定，且可由用戶選擇；而開關(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(dǎo)通時(shí)間(FON)架構(gòu)的工作原理。

　　與固定開關(guān)頻率架構(gòu)一樣，固定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)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(jì)算公式如下圖所示。如上所述，峰值電流Ipeak通過控制器來保持恒定，開關(guān)頻率Fsw則由反饋回路進(jìn)行控制，而要適應(yīng)不同的輸出功率需求，開關(guān)頻率會(huì)發(fā)生變化來滿足圖2中的等式。在缺少回路控制(短路，啟動(dòng))時(shí)，開關(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(jì)算。

　　在滿載條件下，開關(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，開關(guān)頻率下降，這就限制了可聽噪聲的問題。在輕載時(shí)，由于開關(guān)頻率的下降，與開關(guān)頻率相關(guān)的損耗，如功率MOSFET輸出電容Coss和門電荷損耗以及泄漏感抗損耗也會(huì)減少。這樣一來，開關(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(jié)論，固定導(dǎo)通時(shí)間(FON)控制器可大幅提高開關(guān)電源在輕載條件下的能效。圖3對(duì)不同PWM控制器架構(gòu)進(jìn)行了比較。

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

瞄準(zhǔn)低功率反激開關(guān)電源應(yīng)用的NCP1351固定導(dǎo)通時(shí)間控制器

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

　　NCP1351在負(fù)載降低時(shí)會(huì)降低開關(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(fù)載條件下優(yōu)化電源能效。當(dāng)開關(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(jī)械共振，從而大幅消除了出現(xiàn)可聽噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還能維持良好的待機(jī)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(diào)節(jié)的定時(shí)器能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)反饋活動(dòng)，并在出現(xiàn)短路或過載的條件下保護(hù)電源。一旦定時(shí)器逾時(shí)，NCP1351會(huì)停止開關(guān)，其中A版本會(huì)保持在閂鎖狀態(tài)，而B版本則會(huì)嘗試重啟。C版本和D版本則包含雙過流保護(hù)極限跳變點(diǎn)(trip point)，從而允許在打印機(jī)等會(huì)出現(xiàn)大瞬態(tài)功率現(xiàn)象的應(yīng)用使用這種控制器。當(dāng)確認(rèn)出現(xiàn)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(fù)。

　　NCP1351的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體現(xiàn)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(shè)計(jì)低待機(jī)功率電源時(shí)是一項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)。NCP1351的負(fù)電流感測(cè)技術(shù)可將控制器工作時(shí)的開關(guān)噪聲影響降到最小，并可供用戶選擇流經(jīng)電流感測(cè)電阻的最大峰值電壓。因此，它的功率耗散可針對(duì)具體應(yīng)用來優(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(hào)變得更平滑。

　
 
                                  圖4：NCP1351的典型應(yīng)用電路圖。

　　圖4顯示的是NCP1351的典型應(yīng)用電路圖。NCP1351包含8個(gè)引腳，如圖所示。其中，1號(hào)引腳是FB引腳，在此引腳注入電流，降低頻率；2號(hào)引腳是時(shí)序電容Ct引腳，負(fù)責(zé)在沒有反饋電流時(shí)設(shè)定最大開關(guān)頻率；3號(hào)引腳Cs負(fù)責(zé)檢測(cè)初級(jí)端電流；4號(hào)引腳為接地引腳；5號(hào)DRV引腳驅(qū)動(dòng)脈沖至功率MOSFET；6號(hào)引腳是Vcc引腳，為控制器提供最高可達(dá)28 V的電壓；7號(hào)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(hào)引腳為定時(shí)器引腳，設(shè)定故障確認(rèn)前的持續(xù)時(shí)間。

基于NCP1351的GreenPointTM 40 W打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)

　　如上所述，NCP1351控制器非常適合打印機(jī)電源等應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體針對(duì)NCP1351提供了豐富的設(shè)計(jì)資源，包括《40瓦打印機(jī)電源設(shè)計(jì)AND8278》、《50瓦適配器電源設(shè)計(jì)AND8263》、《12瓦適配器電源設(shè)計(jì)》、《使用PWM開關(guān)技術(shù)建?！返葢?yīng)用筆記，以及“40瓦額定/80瓦峰值功率打印機(jī)電路板”和“57瓦適配器電路板”等評(píng)估板。安森美半導(dǎo)體還提供GreenPointTM 40 W打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)。此外，安森美半導(dǎo)體還提供一些設(shè)計(jì)和開發(fā)工具，如NCP1351電感計(jì)算數(shù)據(jù)表，以及Spice模型(PSPICE和ISPICE)等仿真工具。

　　本文接下來具體就NCP1351在40 W打印機(jī)電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)展開探討，分析打印機(jī)電源當(dāng)今所面臨的要求，以及NCP1351如何滿足這些要求。

　　眾所周知，隨著全球變暖成為一項(xiàng)日常話題以及石油價(jià)格的竄升，全世界都開始明白當(dāng)前的能源使用方式不利于可持續(xù)發(fā)展。世界各地圍繞著不同領(lǐng)域(如外部電源、家用電器等)涌現(xiàn)了許多倡議行動(dòng)。由于應(yīng)用面非常廣泛且消耗的電量巨大，打印機(jī)自然而然地成為政府機(jī)構(gòu)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(xiàng)目及組織非常之多，分布在日本、韓國(guó)、德國(guó)、歐洲和美國(guó)等地。在所在的標(biāo)準(zhǔn)倡議機(jī)構(gòu)中，“能源之星(Energy Star)”是其中一個(gè)相當(dāng)活躍的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)已經(jīng)就影印設(shè)備規(guī)范展開工作。符合能源之星要求的打印機(jī)應(yīng)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(jù)獨(dú)立打印機(jī)處理紙張尺寸和色彩能力的不同，還有著不同的“能源之星”規(guī)范要求。將打印機(jī)很大一部分時(shí)間保持在低功率的休眠模式不僅能夠節(jié)省電能，更可使打印設(shè)備工作時(shí)的溫度更低，且耐用時(shí)間更長(zhǎng)。“能源之星”針對(duì)打印機(jī)等相關(guān)設(shè)備的1.0版規(guī)范已于2007年4月1日實(shí)施，第二階段的規(guī)范則將在2009年4月1日實(shí)施。

　　但問題在于，現(xiàn)有的打印機(jī)電源適配器很少能夠滿足當(dāng)前這些輕載條件下的能效要求和空載條件下的待機(jī)能耗要求，這還不說更的嚴(yán)格要求正在涌現(xiàn)。此外，打印機(jī)電源適配器的總成本也必須極低，因?yàn)檫@是一個(gè)高度競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)。因此，滿足這些能效和能耗要求，同時(shí)還維持打印機(jī)電源適配器的可靠性和性能水準(zhǔn)就成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

　
 
               圖5：基于NCP1351C的安森美半導(dǎo)體40 W GreenPointTM打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)。

　　幸運(yùn)的是，采用NCP1351C控制器可以滿足上述挑戰(zhàn)。受益于它的固定峰值電流/可變關(guān)閉時(shí)間架構(gòu)，采用NCP1351C的電源適配器在從額定負(fù)載到輕載條件(包括不同的打印機(jī)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(hù)功能，如閂鎖過載、短路和過壓保護(hù)等。此外，與當(dāng)前高水準(zhǔn)的打印機(jī)電源適配器相比，NCP1351C所具有的獨(dú)特架構(gòu)還使得采用它設(shè)計(jì)的打印機(jī)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(jié)省了方案成本和尺寸。圖5顯示的是基于NCP1351C的安森美半導(dǎo)體40 W GreenPointTM打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)的規(guī)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(xù)40 ms
 • 62 W (32 V / 1.94 A和16 V / 0 A) 持續(xù)400 ms

能效要求：
 • 滿載(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(dǎo)體40 W GreenPointTM打印機(jī)電源參考設(shè)計(jì)在不同輸出功率條件下的能效。

[總結(jié)]：在反激式開關(guān)電源中，PWM控制器存在著不同的架構(gòu)，如固定開關(guān)頻率和準(zhǔn)諧振等；這兩種架構(gòu)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(dǎo)通時(shí)間(FON)架構(gòu)則有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。安森美半導(dǎo)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(zhǔn)固定導(dǎo)通時(shí)間)、可變關(guān)閉時(shí)間技術(shù)，在負(fù)載降低時(shí)能降低開關(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(jī)、游戲機(jī)、低成本適配器和離線電池充電器等對(duì)成本非常敏感的終端產(chǎn)品應(yīng)用。安森美半導(dǎo)體更針對(duì)NCP1351提供豐富的設(shè)計(jì)資源，其中包括高能效的40 W GreenPointTM打印機(jī)電源適配器參考設(shè)計(jì)，幫助客戶滿足日漸嚴(yán)苛的能效規(guī)范要求，縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

供稿：安森美半導(dǎo)體