极低待机功耗适配器设计及应用

　　电源适配器（Power adapter）是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备，一般由外壳、电源变压器和整流电路组成，按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型；按连接方式可分为插墙式和桌面式。广泛配套于电话子母机、游戏机、语言复读机、随身听、笔记本电脑、蜂窝电话等设备中。

　　例如，美国环保署（EPA） 2.0版"能源之星"外部电源规范（简称EPA 2.0）在1.1版基础上进一步提高了能效要求（见表1），其中Ln为额定输出功率的自然对数。

　　表1:美国环保署"能源之星"外部电源的1.1及2.0版规范。

　　不同适配器的功率等级相差较大，而根据IEC61000-3-2等标准的要求，功率大于75 W的电源需要增加功率因数校正（PFC），低于75 W则无此要求。本文着重讨论功率低于75 W适配器满足EPA 2.0新规范所需要的特性，以及能够提供这些所需特性的安森美半导体高性能、高能效控制器。

　　满足能效规范的途径

　　要满足上述规范对外部电源工作能效及待机能耗的要求，我们首先需要分析清楚损耗的来源。事实上，就工作时的损耗来说，主要包括两个方面，分别是开关损耗和由泄漏电感导致的损耗，这两类损耗分别可以用等式（1）和等式（2）来量化：

　　从这两个等式中可以看出，要提升工作能效，有两种途径：一是降低开关频率（FSW），即在轻载时采用频率反走技术；二是降低关闭时的漏极电压，相应地可以采用谷底开关技术。

　　而就待机模式而言，一个重要的损耗来源于启动电路的静态损耗，即启动电阻持续地从大电容消耗电流，造成功率损耗。而降低启动电路损耗的途径有多种，如采用具有极低启动电流的控制器、采用关断时泄漏电流极低的集成启动电流源，以及连接启动电路至半波整流交流输入等。

　　NCP1237/38/87/88控制器的关键特性

　　NCP1237、NCP1238、NCP1287和NCP1288是安森美半导体推出的新一代固定频率脉宽调制（PWM）控制器，用于需要高性价比、可靠性、设计灵活性和低待机能耗的应用。

　　这系列器件包含一系列关键特性，帮助提升适配器的能效及降低待机能耗。例如，一般控制器需要启动电阻来从整流交流线路电压启动控制器，而在正常工作期间，这启动电阻还持续消耗功率。相比较而言，NCP1237/38/87/88系列控制器内置启动场效应管（FET），这FET用作高压电流源。这种高压启动电路在正常工作条件下关闭，消耗的功率极低；同时，控制器无需启动电阻（参见图1），帮助降低待机能耗，减少元件数量及节省电路板空间。

　　图1:带启动电阻与不带启动电阻对比。

　　这系列控制器还采用轻载时频率反走技术和跳周期模式，降低轻载时的开关频率，从而提升能效；同时，开关频率在25

　　kHz时钳位，从而消除可听噪声。此外，这系列器件提供多种保护特性，如双启动电流电平、输入欠压及主电源过压保护、过载保护、双过渡保护阈值、软启动和闩锁保护等。这系列器件还提供可选的动态自供电（DSS）功能，从而无需辅助绕组；

　　并内置斜坡补偿，不需要外部设定。以NCP1238为例，这器件的典型应用电路图如图2所示。

　　图2:NCP1238典型应用电路图

　　应用设计步骤及要点

　　1） 电源段设计

　　安森美半导体（ON Semiconductor,美国纳斯达克上市代号：ONNN）推出NCP1237、NCP1238及NCP1288固定频率电流模式控制器集成电路（IC）。这些新控制器针对膝上型/笔记本电脑、液晶显示（LCD）显示器、打印机及家用消费电子的交流-直流（AC-DC）适配器应用，提供不同频率及单或双过流阈值电平的选择。标准器件内置65千赫兹（kHz）振荡器，并可根据要求提供100 kHz或133 kHz版本。

　　要在设计中应用NCP1237/38/87/88系列控制器，首先要设计电源段。由于功率小于75 W,这个功率等级常见采用反激转换器。相应地，需要计算出这反激转换器相关元件参数，选择好恰当的元器件。有关电源段设计中电容、变压器、电感和MOSFET等参数的详细计算过程，参见参考资料（1）或（2）。

　　值得一提的是，在电源的次级端，可以考虑采用同步整流技术来显着提升能效。在这方面，可以采用安森美半导体的NCP4302同步整流控制器。诸如适配器、充电器和机顶盒等空间敏感型反激应用中使用NCP4302这样的同步整流控制器，能够显着提升能效，而额外成本极低。NCP4302已经上市，新的NCP4303同步整流控制器也将于2010年上市。

　　2） 设定过载补偿

　　过载补偿会影响初级峰值电流。我们可以根据相关公式计算出初级峰值电流，然后计算出过载补偿电阻值。安森美半导体已经创建过载补偿电子设计表格，方便用户恰当地选择ROPP及其对峰值电流、瞬态电流、输出功率及瞬态功率的影响。

　　3） 降低空载输入能耗

　　在降低空载输入能耗方面，除了采用前述内置启动高压电流源的无启动电阻设计和NCP1237/38/87/88这样的带有频率反走及跳周期模式的控制器，还可以采取其它众多途径或诀窍，如降低变压器泄漏电感、不允许动态自供电工作、减小VCC钳位电阻值、降低开关损耗、优化钳位电路、为所有负载电流设定稳定的工作、降低TL431偏置电路损耗、降低次级整流器及其缓冲器的损耗和不使用输出电压显示LED等。

　　4） 磁学设计

　　磁性元件磁通密度应该以峰值电流来设计，并提供一些裕量（5%），从而防止饱和。另外，需要结合具体设计要求看是否需要100%的输出电流，若不是，就减小磁芯尺寸。

　　A,但只在瞬态条件下需要这大电流，其长期的均方根（RMS）值仅1.75

　　A,负载系数仅为0.5（而非1）。设计人员减小磁芯尺寸后，就可以减小磁芯及铜损耗。变压器磁芯尺寸、绕组设计及气隙长度等计算同样参见参考资料（1）或（2）。

　　5） 改善电磁干扰

　　电磁干扰源包括微处理器、微控制器、传送器、静电放电和瞬时功率执行元件，如机电式继电器、开关电源、雷电等。在微控制器系统中，时钟电路是的宽带噪声发生器，而这个噪声被扩散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的发展，其边沿跳变速率很快，这种电路将产生高达300 MHz的谐波干扰。

　　在适配器设计中，交流线路滤波、二极管缓冲器、直流输出滤波器、驱动器钳位、钳位环路和电源开关环路等可能会出现电磁干扰（EMI），故改善EMI同样是设计工程师面临的重要任务。就二极管缓冲器而言，缓冲器电阻应当接近振铃电路的特征阻抗，且缓冲器的RC（电阻电容）时间常数应当相对于开关周期较小，但与电压上升时间相比应当较长。还可从电路板布线方面着手，进一步改善EMI.

　　典型65 W笔记本适配器演示板能效测试结果

　　安森美半导体基于NCP1237控制器构建了一款典型65 W笔记本适配器（输出电压为19 V）的演示板，并针对EPS 2.0版规范优化。相关能效测试结果见表2.

　　表2:基于NCP1237的65 W笔记本适配器工作能效及待机能耗测试结果

　　需要指出的是，这能效测试结果是在长度为1.05米、铜截面积为0.75平方毫米的直流线缆上所测得的，更接近于真实世界中的能效测试结果。这演示板在115 Vac时的平均能效高达87.32,230 Vac时平均能效也达87.21%,均符合EPA 2.0工作模式的能效要求。从表2右侧可以看出，这演示板在极轻载时也具有很高能效，且在空载（待机）模式下的能耗远优EPA 2.0不高于0.5 W的规范要求。

　　总结

　　"能源之星"2.0版外部电源规范对笔记本、LCD显示器、打印机和机顶盒等应用的工作能效和待机能耗提出了更高的要求。安森美半导体新的NCP1237/38/87/88系列控制器带轻载时频率反走和跳周期等重要功能，设计工程师能够采用以基于这系列控制器的经典反激转换器来满足"能源之星"能效规范要求。基于NCP1237的65 W适配器演示板能效测试结果显示，平均能效高于87%,并有可能提供低于300 mW的空载（待机）能耗，且在整个电源设计中尽力减少功率浪费的条件下，能够实现低于100 mW的空载能耗，满足并超越"能源之星"的要求。

  

参考文献:

[1]. 2.0 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/2.0_1758666.html.
[2]. PFC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PFC_1200255.html.
[3]. TL431 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL431_651177.html.