利用固定導通時間控制器進行設計，優(yōu)化開關電源輕載能效

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，開關電源在現(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用，開關電源的電路設計得到了極大的簡化，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關電源，這更加促進了開關電源的設計和發(fā)展。從種類來看，開關電源主要包括交流-直流(AC-DC)轉換器和直流-直流(DC-DC)轉換器兩大類型。前者是將輸入為50/60 Hz的交流電經過整流、濾波等步驟將其轉換為直流電壓，后者廣泛用于對系統(tǒng)中的直流電源進行轉換和分配。

　　根據(jù)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)等不同類型。不同類型DC-DC轉換器的特點各不相同，并且往往有著不同的適用領域。例如，降壓、升壓和降壓-升壓轉換器非常適合于無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式開關電源工作在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現(xiàn)電氣隔離。

　　對于離線式開關電源而言，低成本是它的一個重要目標。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，它的開關頻率固定，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)導電模式(CCM)或非連續(xù)導電模式(DCM)。對于后者而言，它的開關頻率可變，其滿載能效最佳，但在輕載時則由于谷底跳變問題(噪聲)，它的工作模式是邊界導電模式(BCM，亦稱臨界導電模式，CRM)。在變壓器尺寸方面，固定開關頻率架構屬于正常，而準諧振架構則較大；但準諧振架構的電磁干擾較小，而固定開關頻率架構則較大。對于這兩種架構而言，都面臨著相同的問題，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，固定導通時間(FON)架構近年來越來越多地受到業(yè)界矚目。在這種架構下，峰值電流保持恒定，且可由用戶選擇；而開關頻率則會變化(改變關閉時間)，以提供所需的輸出功率，它在頻率最高時提供的輸出功率也就最大。FON的工作原理如圖1所示。

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

　　與固定開關頻率架構一樣，固定導通時間架構也支持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通過控制器來保持恒定，開關頻率Fsw則由反饋回路進行控制，而要適應不同的輸出功率需求，開關頻率會發(fā)生變化來滿足圖2中的等式。在缺少回路控制(短路，啟動)時，開關頻率會被鉗位。

　
 
      圖2：FON控制器在不同工作模式下的輸出功率計算。

　　在滿載條件下，開關頻率則會增加，直至其碰到時序電容Ct鉗位。而在輕載條件下，峰值電流減小，開關頻率下降，這就限制了可聽噪聲的問題。在輕載時，由于開關頻率的下降，與開關頻率相關的損耗，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減少。這樣一來，開關電源在輕載條件下的能效也會提高。因此，我們也可以得出結論，固定導通時間(FON)控制器可大幅提高開關電源在輕載條件下的能效。圖3對不同PWM控制器架構進行了比較。

　
 
                  圖3：反激開關電源中PWM控制器所涉及的不同控制器架構比較。

瞄準低功率反激開關電源應用的NCP1351固定導通時間控制器

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

　　NCP1351在負載降低時會降低開關頻率，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。當開關頻率下降時，峰值電流會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(xiàn)可聽噪聲的風險，同時還能維持良好的待機功率性能。

　　NCP1351包括A、B、C和D等四個不同版本。NCP1351外圍可調節(jié)的定時器能夠持續(xù)監(jiān)測反饋活動，并在出現(xiàn)短路或過載的條件下保護電源。一旦定時器逾時，NCP1351會停止開關，其中A版本會保持在閂鎖狀態(tài)，而B版本則會嘗試重啟。C版本和D版本則包含雙過流保護極限跳變點(trip point)，從而允許在打印機等會出現(xiàn)大瞬態(tài)功率現(xiàn)象的應用使用這種控制器。當確認出現(xiàn)故障時，C版本會進行閂鎖而D版本則會自動恢復。

　　NCP1351的內部結構體現(xiàn)了優(yōu)化的安排，它具有非常低的啟動電流， 而啟動電流在設計低待機功率電源時是一項基礎參數(shù)。NCP1351的負電流感測技術可將控制器工作時的開關噪聲影響降到最小，并可供用戶選擇流經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號引腳是時序電容Ct引腳，負責在沒有反饋電流時設定最大開關頻率；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號引腳為定時器引腳，設定故障確認前的持續(xù)時間。

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開關技術建?！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發(fā)工具，如NCP1351電感計算數(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打印機電源中的應用設計展開探討，分析打印機電源當今所面臨的要求，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日常話題以及石油價格的竄升，全世界都開始明白當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域(如外部電源、家用電器等)涌現(xiàn)了許多倡議行動。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領域，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)”是其中一個相當活躍的機構，該機構已經就影印設備規(guī)范展開工作。符合能源之星要求的打印機應可在一段時間的不工作狀態(tài)后自動進入低功率的“休眠”模式。根據(jù)獨立打印機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。將打印機很大一部分時間保持在低功率的休眠模式不僅能夠節(jié)省電能，更可使打印設備工作時的溫度更低，且耐用時間更長?！澳茉粗恰贬槍Υ蛴C等相關設備的1.0版規(guī)范已于2007年4月1日實施，第二階段的規(guī)范則將在2009年4月1日實施。

　　但問題在于，現(xiàn)有的打印機電源適配器很少能夠滿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，這還不說更的嚴格要求正在涌現(xiàn)。此外，打印機電源適配器的總成本也必須極低，因為這是一個高度競爭的市場。因此，滿足這些能效和能耗要求，同時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(zhàn)。

　
 
               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控制器可以滿足上述挑戰(zhàn)。受益于它的固定峰值電流/可變關閉時間架構，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)峰值功率的同時還提供多種有效的保護功能，如閂鎖過載、短路和過壓保護等。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(jié)省了方案成本和尺寸。圖5顯示的是基于NCP1351C的安森美半導體40 W GreenPointTM打印機電源參考設計。該參考設計的規(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> 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]：在反激式開關電源中，PWM控制器存在著不同的架構，如固定開關頻率和準諧振等；這兩種架構各有其特點，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，固定導通時間(FON)架構則有著其獨特的優(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(準固定導通時間)、可變關閉時間技術，在負載降低時能降低開關頻率，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電池充電器等對成本非常敏感的終端產品應用。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，幫助客戶滿足日漸嚴苛的能效規(guī)范要求，縮短產品開發(fā)時間，并加快產品上市進程。

供稿：安森美半導體