极低待机功耗适配器的设计技巧及应用方案

文章摘要：电源适配器广泛应用于笔记本电脑、游戏机、打印机、DSL调制解调器和手机等领域，应用规模非常庞大。而从人们的使用习惯来看，这些设备也有相当比例的时间处于轻载或待机(空载)工作模式。因此，“能源之星”等规范标准在致力于提升这些设备所用电源适配器工作能效的同时，也注重提升轻载能效及降低待机能耗。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

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电源适配器广泛应用于笔记本电脑、游戏机、打印机、DSL调制解调器和手机等领域，应用规模非常庞大。而从人们的使用习惯来看，这些设备也有相当比例的时间处于轻载或待机(空载)工作模式。因此，“能源之星”等规范标准在致力于提升这些设备所用电源适配器工作能效的同时，也注重提升轻载能效及降低待机能耗。

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：

等式(1)

等式(2)

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(VDRAIN(turn-off))，相应地可以采用谷底开关技术。

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应用设计步骤及要点

1) 电源段设计

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。例如，根据输出电压和输出电流可以计算出输出功率，再根据EPA相关标准来预估能效，结合输出功率和能效来预估输入功率，随后可以计算出平均输入电流，并计算出大电容值。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著提升能效。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，能够显著提升能效，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(OPP)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(ROPP)。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(Ipeak)、瞬态电流(ITRAN)、输出功率(Pout)及瞬态功率(PTRAN)的影响。

3) 降低空载输入能耗

在降低空载(待机)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、藉反馈电阻分压器减小涡流、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。例如，假定最大输出电流是3.5 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)。

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