電源適配器主要包括兩類,一類是內(nèi)部交流/直流(AC/DC)電源轉(zhuǎn)換器,內(nèi)置在電子產(chǎn)品內(nèi)部,可能擁有多路輸出電壓,如臺式計算機內(nèi)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(yīng)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(xiàn)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(huán)保署(EPA)"能源之星”項目于2008年4月發(fā)布了針對外部電源的2.0版規(guī)范,從表1的對比中可以看出2.0版規(guī)范的要求高于1.1版規(guī)范。這針對外部電源的EPA 2.0版規(guī)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(nèi)部電源方面,“能源之星” 的4.0版規(guī)范(EPA 4.0)的第一階段要求自2007年7月20日開始生效。該規(guī)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(guī)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(nèi)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(yè)界能效規(guī)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(guī)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(xiàn)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(xiàn)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(guān)能效規(guī)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(yè)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(guān)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(shù)的使用。采用安森美半導(dǎo)體的NCP1605 功率因數(shù)校正(PFC)控制器和NCP1396諧振模式控制器可用于設(shè)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(jīng)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(lián)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(guī)范中對功率因數(shù)(PF)限制的放松。實際上,根據(jù)已經(jīng)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(yīng)用中需要PFC。目前市場上既有傳統(tǒng)的“功率因數(shù)校正+脈寬調(diào)制”(PFC+PWM)兩段式架構(gòu),也有將這兩段融合為一段的單段PFC式架構(gòu)。兩段式架構(gòu)能夠在115 Vac和230 Vac條件下都實現(xiàn)0.9的功率因數(shù),而且動態(tài)響應(yīng)速度和紋波方面的性能更佳,但這種架構(gòu)是一種資源密集型設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(xiàn)了能效的提升和顯著的成本降低。只不過,單段式PFC架構(gòu)的外部電源在230 Vac測試條件下,功率因數(shù)通常只大于0.8,離0.9的限制還有不少距離,要實現(xiàn)0.9的功率因數(shù)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(gòu)的適配器結(jié)構(gòu)示意圖。
因此,針對外部電源的“能源之星”正式2.0版規(guī)范中,將功率因數(shù)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(shè)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(shù)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(yīng)用的單段式PFC將贏來更大的發(fā)展動力。
電源適配器面臨的挑戰(zhàn)
綜合以上電源適配器的通用市場趨勢,我們可以得出結(jié)論,電源適配器所面臨的主要挑戰(zhàn)在于:
下面我們將按照不同功率等級的應(yīng)用,分享安森美半導(dǎo)體的相關(guān)解決方案。
安森美半導(dǎo)體電源適配器解決方案
1)輸入功率小于75 W的適配器應(yīng)用
如上所述,在輸入功率小于75 W時,外部電源無需PFC,系統(tǒng)主要只是PWM段,其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),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(xiàn)較高能效,關(guān)鍵就在于要采用能夠根據(jù)負載狀況調(diào)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(gòu)。
針對這類應(yīng)用,安森美半導(dǎo)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(yīng)用而言,可以采用NCP1351和NCP1216等器件。其中,NCP1351采用固定導(dǎo)通時間、可變關(guān)閉時間電流模式控制技術(shù),會在負載變低時降低開關(guān)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(xiàn)；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(fā)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(xiàn)。值得一提的是,安森美半導(dǎo)體推出了基于NCP1351的GreenPointTM 40 W打印機電源適配器參考設(shè)計。這參考設(shè)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(shè)計的能效高達85%；而其采用的頻率反走技術(shù),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(dǎo)體還將推出NCP1217和NCP1380等新器件。
而在40 W至70 W的功率應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)體器件。如在電壓反饋環(huán)節(jié),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(wěn)壓器。而在整流器和MOSFET方面,安森美半導(dǎo)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(qū)動器,集成了在反激轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用同步整流技術(shù)所需的全部控制和保護功能,支持任何類型的反激拓撲結(jié)構(gòu)圖 (連續(xù)導(dǎo)電模式、準諧振模式或不連續(xù)導(dǎo)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(yīng)用。
2)輸入功率大于75 W的應(yīng)用
相反,根據(jù)IEC61000-3-2標準,如果輸入功率大于75 W,則需要增加PFC,即構(gòu)成PFC+PWM的兩段式外部電源架構(gòu),如圖3所示。在這種功率等級的PFC段中,臨界導(dǎo)電模式(CRM)應(yīng)用得非常廣泛；而在主轉(zhuǎn)換器段,則有反激、正激有源鉗位和諧振LLC等多種拓撲結(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)用。其中,就75至120 W功率應(yīng)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(yīng)用中,CRM是一種非常適合的PFC方案。安森美半導(dǎo)體的NCP1606是一款有源PFC控制器,特別設(shè)計用于在電子鎮(zhèn)流器、AC-DC電源適配器和其它中等功率離線轉(zhuǎn)換器(通常功率最高可達300 W)中用作預(yù)轉(zhuǎn)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(xù)提供接近1的功率因數(shù)。它集成了可編程過壓保護、欠壓保護、精確及可編程的導(dǎo)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(qū)動器。
在適合75至120 W功率范圍應(yīng)用的PWM控制器方面,可以選用安森美半導(dǎo)體的NCP1230、NCP1381、NCP1382、NCP1651和即將推出的NCP1652等。實際上,傳統(tǒng)有源PFC拓撲結(jié)構(gòu)中,通常采用開關(guān)型升壓電路,開關(guān)頻率在幾十至幾百kHz之間,相應(yīng)的開關(guān)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(tài)下關(guān)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(tǒng)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(huán)節(jié),可以實現(xiàn)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(dǎo)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(chǎn)品。
對于輸入功率大于75 W的電源適配器應(yīng)用而言,同樣可以選用TL431和NCP4300這樣的分流穩(wěn)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(qū)動器。
在這個功率等級,為了幫助客戶加快設(shè)計,安森美半導(dǎo)體還推出了GreenPointTM 200 W游戲機適配器參考設(shè)計。這參考設(shè)計采用NCP1562開關(guān)電源控制器、NCP1014待機穩(wěn)壓器以及TL431分流穩(wěn)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(shè)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(gòu)相比,單段PFC是一種較為新穎的架構(gòu),使用的元器件數(shù)量更少,為兩段式架構(gòu)提供了良好的替代選擇,而且這種架構(gòu)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(yīng)用空間,安森美半導(dǎo)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(dǎo)體還推出了基于NCP1651的GreenPointTM 90 W筆記本適配器參考設(shè)計,該參考設(shè)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(guān)器件(高壓MOSFET)及1個整流器,相比較PFC+PWM兩段式架構(gòu),減少了元器件使用數(shù)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(chǎn)品的能效測試結(jié)果對比。
此外,從某獨立設(shè)計公司基于NCP1651設(shè)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(jié)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(jié)
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(guī)范的局部要求放松使得單段PFC方案獲得更大發(fā)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(yīng)地分析了電源適配器所面臨的挑戰(zhàn),并結(jié)合不同功率等級的應(yīng)用,探討了其應(yīng)用的要求以及可以采用的安森美半導(dǎo)體解決方案。作為全球領(lǐng)先的高能效電源解決方案供應(yīng)商,安森美半導(dǎo)體不僅提供針對電源適配器應(yīng)用的一系列PFC控制器、PWM控制器、分流穩(wěn)壓器、功率MOSFET和整流器,還提供高能效、低能耗的GreenPoint參考設(shè)計,用于筆記本、游戲機、LCD顯示器和游戲機等一系列應(yīng)用,幫助客戶縮短開發(fā)時間,加快產(chǎn)品上市進程。
