發布日期：2022-07-14 點擊率：70
電源適配器主要包括兩類,一類是內部交流/直流(AC/DC)電源轉換器,內置在電子產品內部,可能擁有多路輸出電壓,如臺式計算機內部電源等；另一類是外部單路輸出AC/DC或交流/交流(AC/AC)電源適配器,擁有單路輸出電壓,通常簡稱為外部電源(EPS),廣泛用于打印機、筆記本、LCD顯示器和游戲機等應用。
電源適配器的通用市場趨勢
從通用市場來看,電源適配器主要體現出一些重要趨勢。一是工作能效和待機(空載)能耗要求更高。例如,美國環保署(EPA)"能源之星”項目于2008年4月發布了針對外部電源的2.0版規范,從表1的對比中可以看出2.0版規范的要求高于1.1版規范。這針對外部電源的EPA 2.0版規范將于2008年11月1日開始生效。
表1
而在臺式計算機電源等內部電源方面,“能源之星” 的4.0版規范(EPA 4.0)的第一階段要求自2007年7月20日開始生效。該規范要求臺式機在20%、50%和100%負載條件下的能效最低達80%。此外,更新的5.0版規范第一階段要求將于2009年7月1日開始生效,將要求使用內部電源的計算機在50%負載條件下工作效率最低達85%,而在20%和100%負載條件下最低效率達到82%。
除了“能源之星”這類的業界能效規范要求,某些大型的OEM客戶可能還會有自己獨特的工作能效和能耗要求。例如,針對計算機電源的EPA 4.0規范對于使用外部電源的筆記本電腦和平板電腦的要求主要體現在待機能耗(≤1.0 W)、休眠能耗(≤1.7 W)等方面；相比較而言,戴爾針對這類電源的要求主要體現在不同特定負載條件下的能效,即在0.7 W(輸入功率Pin < 1 W)、1.5 W (Pin <2 W)、10.7 W (Pin < 12.6 W)和17 W (Pin < 20 W)負載條件下,能效分別要高于70%、75%、85%和85%。
值得一提的是,有關能效規范未來仍將不斷提高要求和演進。以筆記本電腦AC-DC電源適配器為例,目前業界在空載模式能耗方面的較高水平約在300 mW以上,而未來空載模式下150 mW的能耗可能成為目標。而且,有關多輸出適配器的要求也可能被納入標準之中。
電源適配器市場的另外一個重要趨勢,是客戶需要具有更高輸出功率、更小體積的適配器,這就涉及到新拓撲技術的使用。采用安森美半導體的NCP1605 功率因數校正(PFC)控制器和NCP1396諧振模式控制器可用于設計200 W臺式適配器或是300 W適配器。而從筆記本適配器而言,其功率要求已經從50 W至70 W范圍上升到超過100 W等級。另外,諸如蘋果MacBook Air和聯想ThinkPad X300等新型超便攜筆記本的電源適配器也更小更輕。
除了這些趨勢,另外一個值得注意的動向是,在“能源之星”針對外部電源的正式2.0版規范中對功率因數(PF)限制的放松。實際上,根據已經在歐洲和日本實施的IEC61000-3-2諧波電流減少標準,功率大于75 W的適配器應用中需要PFC。目前市場上既有傳統的“功率因數校正+脈寬調制”(PFC+PWM)兩段式架構,也有將這兩段融合為一段的單段PFC式架構。兩段式架構能夠在115 Vac和230 Vac條件下都實現0.9的功率因數,而且動態響應速度和紋波方面的性能更佳,但這種架構是一種資源密集型設計,會采用更多的元器件,如控制IC、電感和MOSFET等,而且可能會導致工作模式下能效的下降；相比較而言,另一種單段式PFC架構將PWM段和PFC段融合在一起,減少了控制IC、電感和MOSFET的使用,實現了能效的提升和顯著的成本降低。只不過,單段式PFC架構的外部電源在230 Vac測試條件下,功率因數通常只大于0.8,離0.9的限制還有不少距離,要實現0.9的功率因數限制要求,需要對電路進行一些修改,但這種修改又會損失幾個百分點的能效。
圖1:單段PFC架構的適配器結構示意圖。
因此,針對外部電源的“能源之星”正式2.0版規范中,將功率因數要求限制在輸入功率大于100 W的外部電源和115 Vac電壓的測試條件,而對230 Vac則不作要求；設計用于同時能夠工作在115 Vac和230 Vac條件下的外部電源在功率因數方面只需要滿足115 Vac條件下的測試要求。這樣一來,具有更高性價比、適合電源適配器等應用的單段式PFC將贏來更大的發展動力。
電源適配器面臨的挑戰
綜合以上電源適配器的通用市場趨勢,我們可以得出結論,電源適配器所面臨的主要挑戰在于:
下面我們將按照不同功率等級的應用,分享安森美半導體的相關解決方案。
安森美半導體電源適配器解決方案
1)輸入功率小于75 W的適配器應用
如上所述,在輸入功率小于75 W時,外部電源無需PFC,系統主要只是PWM段,其結構示意圖如圖1所示。這種情況下,通常采用的是反激式拓撲結構,適配器既能工作在固定頻率(FF),也能工作在可變頻率(VF)的控制器(特別是就準諧振模式而言)。在額定負載和輕載條件下,要同時實現較高能效,關鍵就在于要采用能夠根據負載狀況調整工作模式的智能控制器。
圖2:功率小于75 W的電源適配器架構。
針對這類應用,安森美半導體推出了一系列的PWM控制器解決方案。其中,就功率介于10 W至50 W范圍的應用而言,可以采用NCP1351和NCP1216等器件。其中,NCP1351采用固定導通時間、可變關閉時間電流模式控制技術,會在負載變低時降低開關頻率,可以提供卓越的空載能耗,并在輕載條件下提供最佳的能效表現；當頻率下降時,峰值電流逐漸下降到最大峰值電流的大約30%,能夠避免變壓器發生機械共振,從而大幅消除可聽噪聲,并保持良好的待機能耗表現。值得一提的是,安森美半導體推出了基于NCP1351的GreenPointTM 40 W打印機電源適配器參考設計。這參考設計的待機能耗低于150 mW,而目前常用的40 W打印機在相似情況下能耗約為450 mW。在額定負載條件下,該設計的能效高達85%；而其采用的頻率反走技術,也令其在高于2 W的輕載條件下能效高于80%。除了NCP1351和NCP1216,安森美半導體還將推出NCP1217和NCP1380等新器件。
而在40 W至70 W的功率應用范圍,也可采用NCP1271、NCP1219和NCP1288等固定頻率控制器(其中NCP1219和NCP1288為新產品,即將推出),還可采用NCP1377、NCP1337和NCP1380等可變頻率控制器。
除了PWM控制器,功率小于75 W的電源適配器中,還可采用其它的眾多安森美半導體器件。如在電壓反饋環節,可以采用TL431、TLV431、NCP100和NCP4300(用于第二代恒流恒壓適配器)等分流穩壓器。而在整流器和MOSFET方面,安森美半導體同樣提供眾多適用的器件,其中包括電壓介于45至100 V、電流介于3至10 A的所有H系列和L系列肖特基二極管,以及NCP4302控制器。以NCP4302為例,這是一款集成型同步整流(SR)控制器與驅動器,集成了在反激轉換器中應用同步整流技術所需的全部控制和保護功能,支持任何類型的反激拓撲結構圖 (連續導電模式、準諧振模式或不連續導電模式),非常適合于適配器、充電器和機頂盒等空間敏感型應用。
2)輸入功率大于75 W的應用
相反,根據IEC61000-3-2標準,如果輸入功率大于75 W,則需要增加PFC,即構成PFC+PWM的兩段式外部電源架構,如圖3所示。在這種功率等級的PFC段中,臨界導電模式(CRM)應用得非常廣泛；而在主轉換器段,則有反激、正激有源鉗位和諧振LLC等多種拓撲結構可供選用。
圖3:輸入功率大于75 W的PFC+PWM兩段式外部電源架構示意圖。
如果我們把大于75 W這個功率范圍進一步細化,可將其分為75至120 W和120至250 W這兩個細分范圍應用。其中,就75至120 W功率應用而言,可以采用NCP1606這樣的CRM PFC控制器。實際上,在功率等級低于150 W的應用中,CRM是一種非常適合的PFC方案。安森美半導體的NCP1606是一款有源PFC控制器,特別設計用于在電子鎮流器、AC-DC電源適配器和其它中等功率離線轉換器(通常功率最高可達300 W)中用作預轉換器。它嵌入了CRM機制,在多種輸入電壓和功率等級范圍下,都能夠持續提供接近1的功率因數。它集成了可編程過壓保護、欠壓保護、精確及可編程的導通時間限制和過流限制等保護功能,非常適合用作強固PFC段中的驅動器。
在適合75至120 W功率范圍應用的PWM控制器方面,可以選用安森美半導體的NCP1230、NCP1381、NCP1382、NCP1651和即將推出的NCP1652等。實際上,傳統有源PFC拓撲結構中,通常采用開關型升壓電路,開關頻率在幾十至幾百kHz之間,相應的開關損耗不可小視。NCP1230固定頻率電流型PWM控制器和NCP1381諧振振電流模式PWM控制器具有在待機狀態下關閉PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一 個專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當芯片檢測到系統進入待機時,會自動切斷PFC 的VCC供電,這等于省去一個損耗環節,可以實現超低待機能耗。
而在120至250 W功率范圍,可以采用NCP1651/NCP1652這樣的單段式集成型PFC控制器。而在這個功率范圍的PWM控制器方面,安森美半導體也提供了眾多適用的解決方案,如NCP1337、NCP1381、NCP1382、NCP1396和即將推出的NCP1392和NCP1901等產品。
對于輸入功率大于75 W的電源適配器應用而言,同樣可以選用TL431和NCP4300這樣的分流穩壓器,以及所有H系列和L系列的肖特基二極管和MOSFET、TO220AB和TO220FP等可控硅整流器與NCP4302同步整流驅動器。
在這個功率等級,為了幫助客戶加快設計,安森美半導體還推出了GreenPointTM 200 W游戲機適配器參考設計。這參考設計采用NCP1562開關電源控制器、NCP1014待機穩壓器以及TL431分流穩壓器等重要元器件,符合“能源之星”針對游戲機電源適配器的要求,待機能耗低于1 W,在滿載時能效高于88%；值得一提的是,這參考設計還可進行修改,針對需要PFC的市場將PFC功能增添進去。
3)單段PFC解決方案
如前所述,與PFC+PWM兩段式架構相比,單段PFC是一種較為新穎的架構,使用的元器件數量更少,為兩段式架構提供了良好的替代選擇,而且這種架構在較高輸出電壓(大于15 V)和中等功率(75至150 W)下工作得更好。
針對這個應用空間,安森美半導體提供了NCP1651這樣的集成控制器,并即將推出升級版的NCP1652。安森美半導體還推出了基于NCP1651的GreenPointTM 90 W筆記本適配器參考設計,該參考設計能夠降低解決方案成本超過15%,只使用1個磁性元件(電感)、1個控制IC、1個高壓開關器件(高壓MOSFET)及1個整流器,相比較PFC+PWM兩段式架構,減少了元器件使用數量,具有更高的電源能效和功率密度,還符合OEM對適配器外殼溫度上升和泄漏電流的要求。
表2:基于NCP1651的單段90 W適配器與競爭產品的能效測試結果對比。
此外,從某獨立設計公司基于NCP1651設計的90 W單段式適配器與某廠商的兩段式90 W適配器的能效測試結果對比(如表2)可以看出,基于NCP1651的方案擁有更佳的工作能耗和更低的空載能耗。
總結
本文探討及分析了通用電源適配器市場的趨勢,如工作能效和待機能耗要求越來越高、某些OEM擁有獨特能效要求、某些規范的局部要求放松使得單段PFC方案獲得更大發展動力以及電源適配器的功率需求越來越高和體積要求越來越小等。還相應地分析了電源適配器所面臨的挑戰,并結合不同功率等級的應用,探討了其應用的要求以及可以采用的安森美半導體解決方案。作為全球領先的高能效電源解決方案供應商,安森美半導體不僅提供針對電源適配器應用的一系列PFC控制器、PWM控制器、分流穩壓器、功率MOSFET和整流器,還提供高能效、低能耗的GreenPoint參考設計,用于筆記本、游戲機、LCD顯示器和游戲機等一系列應用,幫助客戶縮短開發時間,加快產品上市進程。
