隨著個人計算機(PC)及電視機采用更纖薄優(yōu)雅的外形因數(shù),電源必須降低厚度,超便攜計算機用的適配器也必須變成緊湊輕巧的旅行伴侶。
為了幫助符合此類目標,準方波諧振(QR)電源提供高開關(guān)能效,還幫助降低電磁干擾(EMI),能簡化電磁的屏蔽或抑制。反激及功率因數(shù)校正(PFC)組合型控制器管理電源,令設(shè)計人員能夠減少器件數(shù)量。此外,通過在低負載/空載條件下關(guān)閉PFC,控制器還能提升待機能效。此類器件的路線圖正趨向進一步提升功能集成度,及增強開關(guān)性能,用以降低可聽噪聲。
組合型QR/PFC控制器
市場上存在多種包含PFC及準諧振反激反激控制功能、采用單個封裝的組合型器件。高壓集成電路(IC)技術(shù)容許采用經(jīng)過整流的交流線電路來直接啟動。邏輯電路控制反激及PFC開關(guān)波形,以及其它功能,如軟啟動,過流、過壓及過溫保護等保護功能,安全重啟,及退磁檢測。
在正常工作期間,PFC通將無功功率(reactive power)降至最低及防止線電壓失真來提升能效。電器在功率高于70 W時強制要求PFC;但功率等級低于70 W時則不要求PFC,其間PFC電路的能耗可能會降低能效。為了節(jié)省這些能耗,市場上某些反激/PFC組合控制器能夠在輕載時及關(guān)閉模式下關(guān)閉PFC電路,并因此提升能效。
安森美半導(dǎo)體的 NCP1937組合型PFC及準諧振反激控制器提供一項新穎的功能,令用戶可以根據(jù)輸出功率占滿載功率的百分比來設(shè)定PFC關(guān)閉閾值。內(nèi)部電路產(chǎn)生跟輸出功率成正比例的電流,此電流使用外部電阻及電容來調(diào)節(jié)和平均,以產(chǎn)生與輸出功率成正比的電壓。此IC結(jié)合使用此電壓及集成的PFC關(guān)閉定時器和隨著線電壓變化的參考電壓,以協(xié)調(diào)PFC的關(guān)閉和重新啟用。這就使PFC段能夠在低線電壓下25%至50%負載及高線電壓下50%至75%負載期間關(guān)閉。上電期間 PFC段也關(guān)閉,直至反激軟啟動定時到期。此外,通斷開反饋連接來關(guān)閉PFC所需的電路也集成在此器件中。傳統(tǒng)組合型器件要求包含MOSFET電路的外部反饋連接,以根據(jù)要求斷開或閉合回路。圖1展示了PFC導(dǎo)通/關(guān)閉控制電路。
圖1. PFC導(dǎo)通/關(guān)閉控制集成電路。
此功能提供了一個示例,彰顯高壓IC技術(shù)領(lǐng)域的進步如何使制造商能夠提供更高集成度的控制器,使電源設(shè)計人員能夠省去額外的外部電路,并進一步提升完整負載范圍下的能效。帶有高壓功能的IC提供的數(shù)字功能通常有限。如今,更高端的高壓工藝配合更小的數(shù)字特征尺寸,容許增加額外的芯片內(nèi)建功能,使設(shè)計人員能夠以比以往盡可能小的外形因子,構(gòu)建更加智能及更高精度的電源方案。
改進的關(guān)鍵細節(jié)
安森美半導(dǎo)體的700 V高壓工藝還使此控制器能夠集成用于在AC線電壓移除時對X2輸入濾波電容放電(一項安全機構(gòu)標準要求的功能)的大多數(shù)電路。這就節(jié)省PCB空間及用于 X2電容放電之外部電阻網(wǎng)絡(luò)的能耗。NCP1937控制器包含兩個高壓啟動電路,并且使用了一種新穎的方法來重新配置這些電路,從而在交流線電路移除的情況下對輸入濾波電容放電。
此高端工藝還能集成其它功能,幫助節(jié)省幾個外部器件;這些功能包括省電模式(PSM)功能,此功能將供電電流降至低于70 μA。傳統(tǒng)反激控制IC采用的典型方法是使用有源關(guān)閉(active-off)集成來啟用低功率模式,此方法要求額外的偏置電流來下拉次級端的光耦,降低了系統(tǒng)總能效。相比較而言,NCP1937包含內(nèi)置電路,無須此類偏置電流,因而在空載條件下提升系統(tǒng)能效。
增加的數(shù)字集成功能及高級的700 V高壓工藝,還支援芯片置建應(yīng)用更多保護功能所要求的電路,如故障檢測、電流感測及過功率補償,降低了對外部器件的依賴。
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更佳用戶體驗
反激轉(zhuǎn)換器的QR工作目前在膝上型計算機電源適配器及電視中很流行,主要歸功于零電壓開關(guān)(ZVS)或谷底開關(guān)技術(shù),此技術(shù)相較于硬開關(guān)技術(shù)提升了開關(guān)能效,且產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)更低。
QR 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率本質(zhì)上會根據(jù)輸入及輸出負載條件而變化,而且往往會隨著輸出負載下降而增加。在傳統(tǒng)QR轉(zhuǎn)換器中,自激(free-running)頻率通常鉗位在125 kHz,低于150 kHz的CISPR-22 EMI起點。因此,在輕載條件下,MOSFET無法在一檢測到谷底時就導(dǎo)通,但必須等候8 μs定時到期,因此導(dǎo)致某些谷底被略過。然而,如果輸出功率處于某個等級,以致于逐周期能量均衡所需的關(guān)閉時間下降到相鄰兩個谷底之間,兩個或三個周期的第一谷底開關(guān)之后可能接續(xù)的是一個周期的第二谷底開關(guān)。這種現(xiàn)象稱作谷底跳頻,導(dǎo)致開關(guān)頻率大幅變化,此變化被峰值電流的大幅變化補償,最終使變壓器出現(xiàn)可聽噪聲。
跳周期或頻率反走工作通常用于在實現(xiàn)頻率鉗位后降低開關(guān)頻率。這在提升輕載能效方面很有效,但不會防止谷底跳頻。這種方法的另一項缺點是要求的開關(guān)頻率相對較低,通常在30 kHz左右,需要更大的變壓器。
安森美半導(dǎo)體具有專利的谷底鎖定(Valley Lockout)技術(shù)省去谷底跳頻,憑借的是將轉(zhuǎn)換器鎖定在它選擇的谷底,直至檢測到輸出功率明顯變化。就NCP1937而言,此器件通過使用一些比較器來監(jiān)測反饋接腳上的電壓并將此信息饋送給計數(shù)器來實現(xiàn)此功能。每個比較器上的遲滯鎖定工作谷底。此外,以壓控振蕩器(VCO)為基礎(chǔ)的頻率反走電路隨著輸出功率下降而降低開關(guān)頻率,進一步提升了輕載能效。
圖2. 安森美半導(dǎo)體的谷底鎖定檢測電路。
此項創(chuàng)新提供更優(yōu)異的能效及更佳的用戶體驗,還結(jié)合了反激/PFC組合控制器恰當工作所必需的更高芯片內(nèi)置功能集成度,使設(shè)計人員能夠符合當今消費及商業(yè)電子市場的要求。
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