筆記本AC電源適配器設(shè)計要求暨最新高能效解決方案

 

有利的是，安森美半導(dǎo)體推出了新的NCP1250/NCP1251固定頻率6引腳脈寬調(diào)制(PWM)反激控制器，極佳地滿足設(shè)計人員的需求，使他們能夠開發(fā)高性能、高功率密度的電源轉(zhuǎn)換器，用于筆記本/上網(wǎng)本電源適配器，并可用于DVD或機(jī)頂盒(STB)的低功率開放式電源等應(yīng)用。

 

從大多數(shù)用戶的使用情況來看，筆記本電腦有相當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)會處在輕載或待機(jī)條件下。與提高25%、50%、75%或100%負(fù)載條件下的能效相比，降低極低負(fù)載條件甚至是待機(jī)條件下的能耗及提升能效更具挑戰(zhàn)性。這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機(jī)能耗性能。

 

此外，用于筆記本的AC-DC適配器也要求具備以下幾種保護(hù)特性：

．短路保護(hù)

(SCP)：必須能夠承受輸出持續(xù)短路而不會損壞。當(dāng)故障消失時，適配器必須     能夠從保護(hù)模式下恢復(fù)，并重新提供額定功率。

．過壓保護(hù)(OVP)：在環(huán)路被破壞的情況下，如光耦合器損壞或TL431分壓網(wǎng)絡(luò)受到影    響，適配器必須立即停止工作，并在用戶重新啟動適配器前保持在此狀態(tài)。

．過溫保護(hù)(OTP)：如果適配器的溫度超過某個溫度值，適配器就存在損壞的風(fēng)險。為了避免出現(xiàn)這種情況，就需要使用熱傳感器來持續(xù)監(jiān)測溫度，并在溫度超過設(shè)計人員設(shè)定的限制值的情況下，適配器就持續(xù)關(guān)閉。當(dāng)用戶重新啟動電源且溫度下降時，適配器復(fù)位。

．過功率保護(hù)(OPP)：對某些電源而言，重要的是在最壞條件下——如負(fù)載消耗的電流過大，最大輸出電流保持在受控狀態(tài)，而不會實(shí)際出現(xiàn)短路。

NCP1250/1是采用極小的6引腳TSOP封裝的固定頻率PWM控制器。除了尺寸極小，還提供即便是其它更高端控制器可能都不具備的眾多優(yōu)勢。在最簡單的應(yīng)用(5個功能引腳)中，NCP1250/1非常合適于設(shè)計緊湊、保護(hù)功能減至最少的離線電源。由于還有第6個多功能引腳可用(見圖1)，還能用于更高水準(zhǔn)應(yīng)用，驅(qū)動筆記本或上網(wǎng)本的AC-DC適配器。而諸如非耗散性過功率保護(hù)等獨(dú)特功能，使NCP1250/1成為高性能、高密度應(yīng)用的極佳選擇。

 

圖1：NCP1250典型應(yīng)用示例。

 

NCP1250/1采用峰值電流模式控制工作，在轉(zhuǎn)換器提供額定功率時以固定頻率(65 kHz或100 kHz)開關(guān)。NCP1250/1具有頻率反走功能，當(dāng)功率下降至額定值的約20%時，頻率通常就呈線性下降至26 kHz，這時負(fù)載變得更輕。當(dāng)頻率下降完成時，器件就進(jìn)入跳周期模式。這個功能使電源適配器在完整負(fù)載范圍下都能提供高能效，滿足注重能效性能特別是輸出負(fù)載較低時能效性能的設(shè)計人員的需求。值得一提的是，NCP1250/1即使在頻率反走模式下工作時，仍然保持低頻率抖動，從而幫助自然地弱化電磁干擾(EMI)信號，即使是在轉(zhuǎn)換器并未提供滿額輸出功率時。

 

NCP1250/1提供幾乎所有必要的保護(hù)功能，極佳地滿足上述AC-DC適配器要求。NCP1250與NCP1251的唯一區(qū)別是NCP1251在Vcc引腳上提供集成OVP功能，而NCP1250并不在Vcc引腳上提供OVP功能。下面我們將具體討論NCP1250/1的各項(xiàng)保護(hù)功能及其應(yīng)用。

 

NCP1250/1通過監(jiān)測引腳4上的電流感測信號來確保提供短路保護(hù)。如果監(jiān)測到的最大峰值電流超過最大內(nèi)部電流設(shè)定點(diǎn)(0.8 V/R_sense)時，內(nèi)置的100 ms定時器就啟動。如果電流感測信號下降到最大內(nèi)部電流設(shè)定點(diǎn)以下，定時器就復(fù)位。如果定時器的100 ms計時周期完成，表示故障已存在超過100 ms，所有驅(qū)動脈沖立即停止，控制器的電流消耗降至約1 mA。值得一提的是，NCP1250和NCP1251均包含A版本和B版本，其中A為自動恢復(fù)版本，即100 ms后自動恢復(fù)，而B為完全閂鎖版本。

 

在應(yīng)用過功率保護(hù)方面，傳統(tǒng)技術(shù)屬于耗散型OPP，因?yàn)樵诖龣C(jī)時OPP電路仍然工作，使適配器的輕載及待機(jī)能效性能受到影響。NCP1250/1使用獨(dú)特的非耗散型OPP方案，僅要求使用2顆電阻，對輕載能效性能沒有影響。

 

圖2：NCP1250/1應(yīng)用非耗散型OPP，對輕載性能沒有影響。

如圖1所示，電路中的光耦合器斷路或TL431分壓器網(wǎng)絡(luò)遭受嚴(yán)重漂移影響(或其某個電阻丟失或出現(xiàn)錯誤值)時，輸出電壓就可能超出規(guī)定的限制值，這就是過壓條件。大多數(shù)情況下，過壓條件可能對下行負(fù)載有害，適配器這時必須完全關(guān)斷。NCP1250/1在OPP引腳上也集成了3 V參考比較器，這比較器可用于多種功能，如OVP。如果這OPP引腳電壓連續(xù)四次超過3 V，就使控制器IC閂鎖保護(hù)。

 

此外，如上所述，NCP1251不同于NCP1250的是在Vcc引腳上還提供集成OVP功能，一旦Vcc超過25.5 V就閂鎖，使控制器受到保護(hù)。

 

在眾多設(shè)計中，必須保護(hù)適配器免受熱失控(如適配器殼體內(nèi)溫度超過特定值)影響。我們可以通過跟齊納二極管(D₁₀)串聯(lián)一個負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻(R₁₄)來應(yīng)用簡單的OTP(如圖3所示)。當(dāng)溫度升高時，NTC電阻開始下降，并升高引腳3的電壓。當(dāng)引腳3的電壓電平達(dá)到3 V時，器件就簡單地閂鎖，并要求復(fù)位，然后重啟。

 

 

圖3：利用OPP網(wǎng)絡(luò)簡單地應(yīng)用OTP。

安森美半導(dǎo)體基于NCP1250控制器設(shè)計了19 V/65 W演示電路板。此設(shè)計中額定輸出電流為3.2 A，并提供過功率保護(hù)(3.8 A@100 Vac，4.1 A@265 Vac)、過溫保護(hù)及Vcc引腳上過壓保護(hù)，參見圖4 (a)及(b)。

 

圖4(a)：基于NCP1250的19 V/65 W適配器電路圖

 

圖4(b)：基于NCP1250的65 W電源適配器演示電路板

 

有關(guān)此65 W演示電路板的具體設(shè)計，包括元件選擇及相關(guān)計算，參見參考資料2。除了此65 W演示板，安森美半導(dǎo)體還提供12 V/3.3 A輸出的40 W演示板，同樣提供過功率保護(hù)、過溫保護(hù)及V_CC引腳上過壓保護(hù)功能。

 

65 W演示電路板(含1.2 m長線纜)在25%、50%、75%及100%等常見負(fù)載條件下均呈現(xiàn)出較高的能效(見表1)，如在230 Vrms條件下的平均能效高達(dá)88.67%。此外，這演示電路板在空載時的能效性能也極佳，僅消耗40 mW的功率。而由于頻率反走技術(shù)及跳周期模式的使用，輕載能效也極佳，如在230 Vrms條件下，輸出0.5 W、0.6 W及0.7 W功率時的輸入功率分別僅為0.74 W、0.86 W和0.98 W。

 

表1：基于NCP1250的65 W演電源適配器演示板能效測試結(jié)果。

 

40 W演示電路板在115 Vrms和230 Vrms條件下測得的平均能效分別為87.8%和87.2%(針對的是負(fù)載施加在電路板連接器的情況)，100 Vrms和230 Vrms條件空載輸入功率分別為33 mW和75 mW，同樣提供高能效和低能耗。

總結(jié)：
    NCP1250/1集成了應(yīng)用高密度電源適配器所需的關(guān)鍵特性，如非耗散型過功率保護(hù)、能夠應(yīng)用過溫保護(hù)、小封裝(TSOP6)及Vcc引腳過壓保護(hù)(OVP)(僅NCP1251)等。NCP1250/1在提供高工作能效的同時，通過采用頻率反走技術(shù)及跳周期模式，在輕載或待機(jī)模式下的能耗極低，從而能夠在完整負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。此外，NCP1250/1采用頻率抖動技術(shù)，即使是在頻率反走期間，也將EMI降至最低，從而提供極佳的EMI性能?；贜CP1250的65 W適配器演示電路板測試證實(shí)明了這器件在完整負(fù)載范圍下的高能效性能?？蛻衾?strong>NCP1250/1控制器可以開發(fā)出用于筆記本電腦或上網(wǎng)本的高性能適配器。