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當(dāng)今的筆記本電腦正在向超薄型發(fā)展，這一設(shè)計趨勢帶給系統(tǒng)工程師的最大設(shè)計挑戰(zhàn)是超薄電源適配器。如何以一個合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米機(jī)殼中的電源？如何對它進(jìn)行有效的散熱設(shè)計？以及如何使它滿足最新的能源之星標(biāo)準(zhǔn)及其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)？要克服所有這些挑戰(zhàn)并非易事。請看PI技術(shù)專家是如何解決這些難題的。 對于力求新穎別致的筆記本電腦而言，它應(yīng)該外形纖薄，而且越薄越好。當(dāng)然，它的電源也應(yīng)如此。但是，要想以合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米機(jī)殼中的電源還是極具挑戰(zhàn)性的。盡管筆記本電源必須滿足所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但在超薄型適配器中并沒有為比較占空間的散熱片或散熱器預(yù)留空間。因此，要想降低熱量的產(chǎn)生，電源應(yīng)具有極高的效率，并且必須對其進(jìn)行有效的散熱設(shè)計。 下文將介紹反激式轉(zhuǎn)換器的一種創(chuàng)新設(shè)計方法，它通過先進(jìn)的控制技術(shù)來提升所有功率水平的效率并實現(xiàn)超低空載功耗。這種設(shè)計可使制造商以與標(biāo)準(zhǔn)“磚塊式”筆記本適配器相當(dāng)?shù)某杀旧a(chǎn)出超薄筆記本適配器，同時還能超出ENERGYSTAREPSv2。0功率效率要求和其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)。 圖1所示為一種反激式電源的電路簡圖，其中采用了PowerIntegrations(PI)生產(chǎn)的TopSwitch-HX開關(guān)器件。 圖1. 典型的反激式轉(zhuǎn)換器 TOPSwitch-HX將一個700V功率MOSFET、MOSFET柵極驅(qū)動和一個用戶可選擇限流點的PWM控制器集成到單個IC封裝中。在使能狀態(tài)下，控制器的振蕩器在每個時鐘周期開始時導(dǎo)通功率MOSFET。當(dāng)電流達(dá)到限流點或達(dá)到反饋信號設(shè)置的占空比（PWM控制）時，MOSFET才會關(guān)斷。PWM控制器關(guān)斷MOSFET后，變壓器繞組間的電壓開始反向，輸出二極管被正向偏置，電流開始流入次級繞組，這樣會補(bǔ)充輸出電容中的電荷并將電流供應(yīng)給負(fù)載。 當(dāng)今的筆記本電腦正在向超薄型發(fā)展，這一設(shè)計趨勢帶給系統(tǒng)工程師的最大設(shè)計挑戰(zhàn)是超薄電源適配器。如何以一個合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米機(jī)殼中的電源？如何對它進(jìn)行有效的散熱設(shè)計？以及如何使它滿足最新的能源之星標(biāo)準(zhǔn)及其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)？要克服所有這些挑戰(zhàn)并非易事。請看PI技術(shù)專家是如何解決這些難題的。 PWM控制在高功率水平下可提供較高的效率；但當(dāng)功率水平下降到中低水平時，效率將會隨之降低。我們可以通過分析開關(guān)電源中損耗產(chǎn)生的原因來探究其中的緣由。電源中有兩種基本損耗：電流流動產(chǎn)生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負(fù)載產(chǎn)生的開關(guān)損耗。阻性損耗是電流均方根（RMS電流）的函數(shù)，因此，當(dāng)功率水平較高時，阻性損耗就相當(dāng)大。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成比例。因此一般情況下，當(dāng)功率水平較低時，將會出現(xiàn)開關(guān)損耗（隨頻率變化而變化），從而嚴(yán)重限制電源的效率。 將開關(guān)頻率保持在較低水平可以降低開關(guān)損耗。不過，通過提高頻率可以減小某些元件（如變壓器、輸出電容和后級LC濾波器等）的尺寸，這一點對于設(shè)計薄型筆記本適配器很有利。PI推出的TOPSwitch-HX可以解決這一難題。集成在TOPSwitch-HX器件中的700VMOSFET采用特殊制造技術(shù)，使其能夠在132kHz下進(jìn)行開關(guān)，其總體損耗要比以更低頻率工作的其它同類MOSFET產(chǎn)品低得多。 利用這種132kHz的開關(guān)能力，PI研發(fā)出了一種名為SlimCore的薄型變壓器骨架。這樣就可以在薄型筆記本適配器應(yīng)用中采用低成本的線繞變壓器。 當(dāng)今的筆記本電腦正在向超薄型發(fā)展，這一設(shè)計趨勢帶給系統(tǒng)工程師的最大設(shè)計挑戰(zhàn)是超薄電源適配器。如何以一個合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米機(jī)殼中的電源？如何對它進(jìn)行有效的散熱設(shè)計？以及如何使它滿足最新的能源之星標(biāo)準(zhǔn)及其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)？要克服所有這些挑戰(zhàn)并非易事。請看PI技術(shù)專家是如何解決這些難題的。 為了克服PWM控制常見的效率限制問題，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎，可優(yōu)化所有功率水平下的開關(guān)頻率和RMS電流。具體說明詳見圖2。 圖2. TOPSwitch多模式控制 高負(fù)載條件下，TOPSwitch-HX控制器在全頻PWM模式下工作，這樣，用戶便可以在此高功率情況下使用尺寸較小的元件，同時又可實現(xiàn)高效率。隨著負(fù)載的降低，控制器同時也降低頻率，從而降低開關(guān)損耗，先切換到變頻模式，然后切換到頻率較低的固定頻率PWM模式。負(fù)載極輕時，控制方式將從PWM控制模式開始切換，并運用多周期調(diào)制控制算法。TOPSwitch-HX會根據(jù)經(jīng)由光耦器饋入到控制引腳的反饋電流情況（見圖1），自動在各控制模式間進(jìn)行切換。 在高負(fù)載條件下，全頻PWM模式可實現(xiàn)高效率開關(guān)。開關(guān)頻率選定為132kHz，這樣既可減小變壓器尺寸，同時又能使開關(guān)頻率保持在150kHz步降開關(guān)以下，從而符合傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)。占空比與饋入到控制引腳的控制電流呈線性函數(shù)關(guān)系并隨之減小。 隨著輸出負(fù)載的降低，TOPSwitch-HX控制將切換至變頻模式(VFM)。在此模式下，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時開關(guān)頻率會從132kHz的初始全頻（或66kHz，取決于用戶的選擇）下降到30kHz。占空比隨著負(fù)載的降低而減小，這一過程通過延長開關(guān)脈沖之間的關(guān)斷時間來完成。開關(guān)頻率的降低導(dǎo)致開關(guān)損耗下降，并可在負(fù)載降低時維持電源效率恒定不變。 當(dāng)今的筆記本電腦正在向超薄型發(fā)展，這一設(shè)計趨勢帶給系統(tǒng)工程師的最大設(shè)計挑戰(zhàn)是超薄電源適配器。如何以一個合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米機(jī)殼中的電源？如何對它進(jìn)行有效的散熱設(shè)計？以及如何使它滿足最新的能源之星標(biāo)準(zhǔn)及其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)？要克服所有這些挑戰(zhàn)并非易事。請看PI技術(shù)專家是如何解決這些難題的。 隨著電源負(fù)載進(jìn)一步降低和開關(guān)頻率達(dá)到30kHz，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式。在此模式下，通過調(diào)整MOSFET導(dǎo)通時間，可使開關(guān)頻率保持在音頻波段以上并維持輸出穩(wěn)壓。開關(guān)頻率保持恒定不變且占空比減小，工作方式與全頻PWM模式相同，都通過縮短MOSFET導(dǎo)通時間來實現(xiàn)。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值，即設(shè)定流限值的25%。這樣可以在低功率時保持高效率，避免了音頻噪音問題。 TOPSwitch-HX進(jìn)入其最后的工作模式，即多周期調(diào)制模式，以支持超低負(fù)載要求。當(dāng)峰值漏極電流降到設(shè)定流限值的25%時，控制器便會切換到多周期調(diào)制模式。在此模式下，每當(dāng)根據(jù)回路要求傳導(dǎo)能量時，功率MOSFET將以30kHz的開關(guān)頻率開關(guān)，且至少持續(xù)135μs。這將產(chǎn)生一組至少四到五個的開關(guān)脈沖，這些脈沖的峰值初級電流固定為設(shè)定流限值的25%，不受控制環(huán)路的影響。135μs的強(qiáng)制性最小開關(guān)時間過后，控制器將以逐周期的方式對來自環(huán)路的反饋信號作出反應(yīng)。隨后MOSFET關(guān)斷，直至控制引腳電流降到預(yù)設(shè)值以下。這種工作模式可使與峰值漏極電流成比例的變壓器磁通密度減小，繼而將變壓器發(fā)出的音頻噪音降至最低。同時還可以避免6kHz到15kHz之間的開關(guān)頻率。常采用的反激式轉(zhuǎn)換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介于此頻率范圍內(nèi)。多周期調(diào)制功能可有效地將每個平均開關(guān)頻率控制在所需的音頻范圍內(nèi)，保持輸出穩(wěn)壓，同時避免出現(xiàn)前面提到的磁芯自諧振頻率。因此，與更為傳統(tǒng)的突發(fā)工作模式不同的是，多周期調(diào)制能夠確保音頻噪音得到有效抑制，同時還可提高工作效率。 當(dāng)今的筆記本電腦正在向超薄型發(fā)展，這一設(shè)計趨勢帶給系統(tǒng)工程師的最大設(shè)計挑戰(zhàn)是超薄電源適配器。如何以一個合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米機(jī)殼中的電源？如何對它進(jìn)行有效的散熱設(shè)計？以及如何使它滿足最新的能源之星標(biāo)準(zhǔn)及其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)？要克服所有這些挑戰(zhàn)并非易事。請看PI技術(shù)專家是如何解決這些難題的。 本文第四部分討論了適配器如何在低功率時仍能保持高效率，并避免音頻噪音問題。接下來的第五部分將討論如何正確地設(shè)計會給超薄型筆記本適配器設(shè)計師帶來空間和散熱兩大難題的三個參數(shù)。 上述控制模式為電源設(shè)計師提供了內(nèi)置的設(shè)計方法，該方法可在整個功率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率，但對設(shè)計師而言，仍還有許多工作要做。電源設(shè)計必須要安全地應(yīng)對所有故障情況和最差情況下的元件容差。在以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作的反激式轉(zhuǎn)換器中，輸出到負(fù)載的功率與開關(guān)頻率、變壓器初級電感量以及峰值初級電流平方均成比例。因此，這三個參數(shù)的微小變化便可導(dǎo)致過載電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出故障條件下的額定輸出值。要構(gòu)建能夠經(jīng)受此類故障條件的電源，就必須采用較大的元件，但這卻會給薄型筆記本適配器設(shè)計師帶來空間和散熱兩大難題。PI推出的TOPSwitch-HX已解決了上述難題：引入額外的電路，并在最終測試中采用參數(shù)調(diào)整技術(shù)，以控制開關(guān)頻率與流限值平方的乘積的最大值和最小值。這在數(shù)據(jù)手冊中被指定為新參數(shù)—功率因數(shù)(I2f)。 在圖3中，對TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch？-GX（無I2f調(diào)整）的工作區(qū)域進(jìn)行了比較。去除特性曲線的左下方區(qū)域（I2f=0。81），TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過變壓器傳導(dǎo)的最小能量。這樣，使用一個初級繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器，即足以在最差情況下提供指定的輸出電流。去除右上方區(qū)域(I2f=1。21)可降低最大過載功率，同樣，使用一個初級繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器也可以實現(xiàn)這一點，從而降低電路中許多元件的最大功率要求。在TOPSwitch-HX中引入I2f調(diào)整技術(shù)，是設(shè)計薄型筆記本適配器的關(guān)鍵促成因素，該技術(shù)可在給定設(shè)計中實現(xiàn)以下幾點：使給定變壓器磁芯尺寸提供更多功率輸出、過載功率與額定功率的比率大幅降低以及導(dǎo)通損耗更小。 圖3. 功率因數(shù)的影響 PowerIntegrations已利用集成多模式控制及I2f調(diào)整功能的TOPSwitch-HX器件，開發(fā)出了一套完整的超薄筆記本適配器設(shè)計方案，并可立即投產(chǎn)。詳情請參見發(fā)布的參考設(shè)計DI-182。13。5mm的凈空高度可容納整個電源，而制造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當(dāng)。該設(shè)計的平均功率效率大于87%，超出了能源之星EPSv2。0的要求。230VAC輸入時，電路空載功耗可降到300mW以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于能源之星所允許的500mW空載功耗。 有了TOPSwitch-HX，超薄型筆記本適配器不再成為昂貴的選擇。所有筆記本適配器都可以采用這種方式進(jìn)行設(shè)計和制造，既節(jié)省材料又節(jié)約能耗。 |
