功率小于75W的极低待机功耗适配器设计及应用
功率小于75w的极低待机功耗适配器设计及应用
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：
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。
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，如笔记本、lcd显示器、游戏机和打印机的交流-直流(ac-dc)适配器，以及dvd和机顶盒(stb)等消费电子应用。
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。输入交流电压施加在适配器上时，这个电流源为控制器的vcc电容供电。这种高压启动电路在正常工作条件下关闭(这时由反激辅助绕组提供偏置电压以省电)，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(内置电压启动电流源)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
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)。
5) 改善电磁干扰
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。相应地可以采取一些设计技巧或方法，如所有带射频电流的开关环路的面积均应较小，以两个扼流圈来分隔输入交流滤波器从而减小寄生电容耦合影响，以及关闭通过变压器注入射频电流的电路环路等。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。
南昌属于VR的一天，VR政策落地的一年
微带天线的设计实例和实现步骤
接线的MAX6958/59向4位时钟显示-Wiring th
三星Note8什么时候上市？三星Note8最新消息：三星Note8即将发布，三星Note8优缺点汇总接近完美
微软在 Convergence Europe 上展示 Dyn
功率小于75W的极低待机功耗适配器设计及应用
光峰科技激光显示技术车载应用的四大优势介绍
高阶MCU产品开发倒逼 图型化介面需求涨
2021年1月份骁龙888将正式开始商用
安吉升智能门店客流统计设备终端「人脸识别摄像机哪个品牌好」
JBU羁绊之声无线蓝牙耳机初入江湖 国产品牌厚积薄发
避免云计算浪费并节省成本的五种方法
安创主办2020世界半导体大会·自动驾驶分论坛在南京顺利召开
单片机中晶振的作用
网状网络的智能家居无线设计解决方案
ADIS16355芯片MEMS陀螺仪数据采集硬件设计
苹果承认iPhone12存在“绿屏”问题
基于Vivado/SDK 2018.3的XIP参考设计
应用笔记 | TSMaster核心功能之标定数据的管理
手机拍照为啥需要图像算法？
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：
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。
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，如笔记本、lcd显示器、游戏机和打印机的交流-直流(ac-dc)适配器，以及dvd和机顶盒(stb)等消费电子应用。
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。输入交流电压施加在适配器上时，这个电流源为控制器的vcc电容供电。这种高压启动电路在正常工作条件下关闭(这时由反激辅助绕组提供偏置电压以省电)，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(内置电压启动电流源)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
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)。
5) 改善电磁干扰
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。相应地可以采取一些设计技巧或方法，如所有带射频电流的开关环路的面积均应较小，以两个扼流圈来分隔输入交流滤波器从而减小寄生电容耦合影响，以及关闭通过变压器注入射频电流的电路环路等。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。
南昌属于VR的一天，VR政策落地的一年
微带天线的设计实例和实现步骤
接线的MAX6958/59向4位时钟显示-Wiring th
三星Note8什么时候上市？三星Note8最新消息：三星Note8即将发布，三星Note8优缺点汇总接近完美
微软在 Convergence Europe 上展示 Dyn
功率小于75W的极低待机功耗适配器设计及应用
光峰科技激光显示技术车载应用的四大优势介绍
高阶MCU产品开发倒逼 图型化介面需求涨
2021年1月份骁龙888将正式开始商用
安吉升智能门店客流统计设备终端「人脸识别摄像机哪个品牌好」
JBU羁绊之声无线蓝牙耳机初入江湖 国产品牌厚积薄发
避免云计算浪费并节省成本的五种方法
安创主办2020世界半导体大会·自动驾驶分论坛在南京顺利召开
单片机中晶振的作用
网状网络的智能家居无线设计解决方案
ADIS16355芯片MEMS陀螺仪数据采集硬件设计
苹果承认iPhone12存在“绿屏”问题
基于Vivado/SDK 2018.3的XIP参考设计
应用笔记 | TSMaster核心功能之标定数据的管理
手机拍照为啥需要图像算法？