【導(dǎo)讀】為提供更佳的用戶(hù)體驗(yàn),筆記本電腦及其適配器不斷向小型化、高功率密度化方向發(fā)展,便于消費(fèi)者外出時(shí)攜帶更方便,同時(shí),還需具備高平均能效和極低待機(jī)功耗,以符合日趨嚴(yán)格的各種能效法規(guī)。
如于2016年1月1日生效的歐盟CoC V5 Tier 2 規(guī)定,輸出功率為45 W和65 W的AC-DC適配器平均能效需分別達(dá)到87.7%和89%,待機(jī)功耗分別低于75 mW和150 mW,并且還要求10%負(fù)載條件時(shí)的能效需分別達(dá)到77.7%和77.5%。電源設(shè)計(jì)工程師面臨體積、能效和成本等多方面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
表1. AC-DC 適配器能效法規(guī)一覽
開(kāi)關(guān)頻率直接決定開(kāi)關(guān)電源的功率密度,提高開(kāi)關(guān)頻率可有效地減小無(wú)源功率器件如變壓器、輸出電容的尺寸,從而提高功率密度;高功率密度應(yīng)用僅滿(mǎn)足能效規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,因?yàn)轶w積減小時(shí),散熱面積也相應(yīng)減少,需提高能效以減少發(fā)熱,減小對(duì)內(nèi)部元器件壽命的影響;此外,工程師需將成本控制在合理范圍內(nèi),以在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)處于有利地位。
準(zhǔn)諧振反激 + 同步整流 = 高功率密度適配器
LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可提供高頻率和高能效,但其成本較高,且對(duì)輸入電壓范圍有嚴(yán)格要求,不適用于筆記本電腦這一功率等級(jí)。采用準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浼由贤秸?SR)可輕松地設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足體積、能效、成本等要求的高功率密度適配器,如安森美半導(dǎo)體的高頻準(zhǔn)諧振反激式控制器NCP1340/1+SR控制IC NCP4305/80。
準(zhǔn)諧振模式允許使用相對(duì)大的緩沖電容Clump,額外增加的Clump (10-22pF)可以減少M(fèi)OS管關(guān)斷損耗,減少電磁干擾(EMI)。準(zhǔn)諧振反激有利于次極端加SR,可降低整流二極管導(dǎo)通損耗,減少次極端整流管尖峰電壓,降低其耐壓要求。
圖1. 準(zhǔn)諧振模式允許使用相對(duì)大的緩沖電容Clump
準(zhǔn)諧振式反激電源損耗分析和設(shè)計(jì)要點(diǎn)
分析準(zhǔn)諧振反激損耗旨在提高工作頻率后再減少功率損耗。準(zhǔn)諧振反激電源的損耗主要分布在初級(jí)MOSFET、尖峰吸收電路、變壓器和輸出整流。
圖2. 準(zhǔn)諧振反激電源的損耗分布
1.初級(jí)MOSFET損耗分析
初級(jí)MOSFET損耗主要包括導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。導(dǎo)通損耗由漏源導(dǎo)通阻抗Rds(on)和初級(jí)端均方根電流定義。對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗,由于MOSFET的結(jié)電容與其Vds電壓成非線性比例,所以不能用簡(jiǎn)單的電容儲(chǔ)能公式計(jì)算,需要將實(shí)際的結(jié)電容考慮進(jìn)去,結(jié)電容可理解為MOSFET DS 網(wǎng)絡(luò)間等效的除了MOSFET內(nèi)部的結(jié)電容外的其它電容。驅(qū)動(dòng)損耗在開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)可以不作考慮,但在高頻應(yīng)用中不能忽略,它在MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生,主要取決于MOSFET總門(mén)極電荷Qg、開(kāi)關(guān)頻率和IC工作電壓Vcc,損耗大部分消耗在驅(qū)動(dòng)電阻上。
因此,對(duì)于MOSFET的選取,在高頻應(yīng)用中,Rds (on) x Qg乘積數(shù)越低越有利于降低導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。應(yīng)選擇體積小、薄且散熱性好的低熱阻封裝。由于氮化鎵(GaN) MOSFET具有更優(yōu)的Rds (on) x Qg參數(shù),可額外增加約0.3%的滿(mǎn)載效率,而在成本允許的情況下,GaN MOSFET是理想的選擇。
2. 尖峰吸收電路損耗分析
尖峰吸收電路主要用于鉗制MOS管Vds電壓,防止其過(guò)壓擊穿。電阻-電容-二極管(RCD)吸收和瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)吸收是兩種常用的電路,其中RCD最為常用,可靠性較高。
圖3. 兩種常見(jiàn)的尖峰吸收電路
對(duì)于RCD電路中,較大的吸收電容C可減少鉗位電壓紋波,但會(huì)增加待機(jī)功耗,所以C的選取一般以滿(mǎn)載時(shí)5%至10%鉗位電壓紋波為宜。如果吸收電阻R較熱,可減小變壓器漏電感,選用Trr一致性好的慢管,可降低鉗位電壓,減少R損耗。
鉗位電壓方面,選擇高的鉗位電壓可降低RCD吸收損耗,但需選高耐壓MOS管,這會(huì)導(dǎo)致成本增加,而且變壓器初級(jí)電流衰減速度會(huì)變快,次級(jí)整流電流上升斜率變陡,不利于EMI和次級(jí)同步整流效率優(yōu)化。選擇低的鉗位電壓,有利于EMI,次級(jí)同步整流控制,但RCD吸收損耗會(huì)增加。整流二極管D選用慢管可減少鉗位電壓和改善EMI,但二極管溫升會(huì)較高。所以需綜合考慮各方面影響,權(quán)衡擇取。
3. 變壓器損耗分析
變壓器損耗主要包括磁芯損耗、線圈損耗和高頻附加的磁芯及線圈損耗。對(duì)于>300 KHz應(yīng)用,相比TP4A, 3C90或3F3,3C95/P51磁芯材料具有更低損耗。高頻應(yīng)用時(shí),臨近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)導(dǎo)致繞線交流電阻增大,銅損增加,多股絞線將是非常不錯(cuò)的選擇。
提高開(kāi)關(guān)頻率,可以減少變壓器初級(jí)電感量,從而減少磁芯損耗。采用多股膠合線,減少趨膚效應(yīng),分開(kāi)初級(jí)繞組(三明治繞法)以降低鄰近效應(yīng)。如安森美半導(dǎo)體的45 W參考設(shè)計(jì)選用RM7變壓器,采用多股線加三明治繞法,初級(jí)端為24轉(zhuǎn)25x AWG#38 絞合線,次級(jí)端為4轉(zhuǎn)150x AWG#44 絞合線,采用3C90材料。
4. 輸出整流損耗分析
輸出整流通常有二極管整流和SR兩種方案。由于SR MOS導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)低于二極管導(dǎo)通壓降Vd,所以可比傳統(tǒng)的二極管整流實(shí)現(xiàn)更高能效。
和初級(jí)MOSFET一樣,SR損耗分為開(kāi)關(guān)損耗(低壓時(shí)可忽略不計(jì))、驅(qū)動(dòng)損耗(取決于Qg、開(kāi)關(guān)頻率及Vcc)和導(dǎo)通損耗。其中導(dǎo)通損耗包括MOSFET導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻損耗和體二極管在MOSFET導(dǎo)通前的導(dǎo)通損耗,體二極管導(dǎo)通損耗和MOSFET導(dǎo)通延時(shí)密切相關(guān)。安森美半導(dǎo)體的NCP4305/80系列同步整流控制IC具有極短導(dǎo)通延時(shí),可調(diào)至30 ns,同時(shí)具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力,能快速通斷SR MOSFET。如在45 W參考設(shè)計(jì)中,SR MOSFET選用NVMFS6B03NL,內(nèi)阻僅4 m?,Qg 70.7nC,若選用GaN SR MOSFET將可獲得額外約0.3%的滿(mǎn)載能效提升。
綜上所述,損耗源及影響損耗的因素可歸納為:
表2. 損耗源及影響損耗的因素
45 W高功率密度適配器參考設(shè)計(jì)
該參考設(shè)計(jì)采用安森美半導(dǎo)體的NCP1340高頻準(zhǔn)諧振反激+NCP43080 SR架構(gòu), 在能效和待機(jī)功耗方面彰顯出色性能,提供19 V/2.4 A額定輸出,90-264 V寬輸入電壓,體積僅50 mm x 33 mm x 22 mm,所需外圍元件數(shù)少,滿(mǎn)載能效超過(guò)92%,待機(jī)功耗低于30 mW,完全符合CoC V5 Tier 2能效要求。
圖4. 45 W參考設(shè)計(jì)能效 vs. 負(fù)載曲線
其中NCP1340/1采用SO-8封裝,高壓?jiǎn)?dòng),集成X2放電和欠壓檢測(cè),運(yùn)行達(dá)6個(gè)谷底鎖定開(kāi)關(guān),可有效地解決因谷底數(shù)不穩(wěn)定所產(chǎn)生的音頻噪聲問(wèn)題,并通過(guò)最小頻率鉗位和Quiet-Skip運(yùn)行消除噪聲。人類(lèi)能聽(tīng)到的頻率范圍是20Hz至20kHz,早期的跳周期控制IC將最低開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置在25 kHz,但間隙工作頻率通常會(huì)在2 kHz至4 kHz范圍,所以一旦其進(jìn)入跳周期模式,噪聲還是很大的。Quiet-Skip將最大的間隙工作頻率設(shè)置為800 Hz,雖然800 Hz仍在可聽(tīng)見(jiàn)的范圍內(nèi),但其往往會(huì)與背景噪聲很好的融合,所以不容易被察覺(jué)。NCP1340/1采用跳周期模式,電流消耗低,因而可實(shí)現(xiàn)低于30 mW的低待機(jī)功耗,具有頻率抖動(dòng)特性,可提升EMI性能,實(shí)測(cè)抖頻功能可降低AV曲線低頻段的峰值約5 dB。此外,NCP1341比NCP1340多了功率倍增模式,可提高瞬態(tài)帶載能力,同時(shí)保持最小尺寸的變壓器,實(shí)現(xiàn)1.5倍或2倍的額定功率輸出,非常適合打印機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源等需要損失功率倍增的應(yīng)用場(chǎng)合。
總結(jié)
設(shè)計(jì)高功率密度的適配器電源不但要滿(mǎn)足更輕更薄的發(fā)展趨勢(shì)以提升用戶(hù)體驗(yàn),還要符合日趨嚴(yán)格的能效要求,這對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)。高頻準(zhǔn)諧振反激是適用于低于65 W的高功率密度電源適配器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。安森美半導(dǎo)體的45 W高功率密度參考設(shè)計(jì)采用準(zhǔn)諧振反激NCP1340/1 + 同步整流NCP4305/80的架構(gòu),可輕松設(shè)計(jì)出小巧、低成本的高能效高功率密度適配器,滿(mǎn)載能效超過(guò)92%,待機(jī)功耗低于30 mW,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越能效規(guī)范。