實(shí)現(xiàn)具有更高擊穿電壓和更低待機(jī)電流的離線輔助PSU電源裝置

作者：James Lee

安森美半導(dǎo)體照明市場營銷部門經(jīng)理

如今，對能源效率的需求影響著自動化的所有領(lǐng)域。這包括各種白家電，它們是在家庭自動化概念與如今完全不同的時代構(gòu)想出來的。

幾十年前，當(dāng)我們開始依賴這些設(shè)備時，能源的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本沒有消費(fèi)者便利性那么重要，但這種不平衡最近發(fā)生了改變，如今人們正在努力加以解決。

盡管制造商盡了最大努力，但許多白家電仍舊常常需要大量能源才能實(shí)現(xiàn)自身功能，包括加熱水或空氣（電燒水壺、烤箱、淋浴器、洗衣機(jī)）、冷卻空氣或其他流體（冰箱）、對流加熱（烤面包機(jī)和烤箱）或一般運(yùn)動（洗衣機(jī)/烘干機(jī)和吸塵器的電動機(jī)）。在消費(fèi)環(huán)境下，這些設(shè)備的能耗都差不多以kW計算，是業(yè)主最大的電力成本來源。

除此之外，越來越多的消費(fèi)類設(shè)備采用越來越復(fù)雜的控制功能或用戶界面。這些輔助功能本質(zhì)上都是低功率應(yīng)用，如傳感器、顯示屏和觸控面板。

從實(shí)質(zhì)上講，使用旨在提供高電流的電源來為這些輔助功能供電會使效率變得很低，尤其是當(dāng)這些功能需要在未使用主要功率密集型功能的情況下工作時。

這就提高了對輔助離線電源裝置的需求，這種裝置可以通過交流電源提供功率相對較低、不到40W（典型值）的直流電源。

這樣做的主要目標(biāo)就是在待機(jī)期間也可以盡可能高效地提供電源。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要以最具成本、空間和能效優(yōu)勢的方式實(shí)現(xiàn)電源功能。

產(chǎn)品設(shè)計工程師還需要考慮白家電的安全要求。就電源而言，這通常要求采用隔離式解決方案，但在某些情況下，相關(guān)規(guī)范要求的電氣隔離水平可通過物理設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。

正因如此，市場對面向低功耗輔助離線電源應(yīng)用空間的低功耗SMPS解決方案（隔離式和非隔離式）的需求不斷增長。

完全集成的解決方案

隨著半導(dǎo)體制造工藝向更高集成度和更穩(wěn)健方向發(fā)展，這一總趨勢使得器件制造商能夠開發(fā)出單芯片解決方案來實(shí)現(xiàn)離線功率轉(zhuǎn)換。

通過將開關(guān)型MOSFET和控制電路集成至單個器件中，現(xiàn)在可以更加輕松地設(shè)計具有更高功率密度的開關(guān)型電源，從而提供出色的輔助電源，這類輔助電源不僅可以部署在白家電的多個區(qū)域，而且還針對上文所述輔助功能所需的功率進(jìn)行了優(yōu)化。

根據(jù)具體的應(yīng)用和功能，輔助電源所需提供的功率會有所不同，從不到1W到高達(dá)70W不等。安森美半導(dǎo)體在開發(fā)該應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案方面有著悠久的歷史，并擁有廣泛且不斷增長的器件產(chǎn)品組合。

隨著超低功耗輔助電源需求的增長，安森美半導(dǎo)體最近推出了NCP1067x系列高壓開關(guān)。

該系列開關(guān)專為采用非隔離式（圖 1）或隔離式（圖 2）設(shè)計的低功耗離線開關(guān)型電源而開發(fā)。它將控制器和功率MOSFET完全集成在一個SOIC7封裝中，尺寸非常小巧。

雖然NCP1067x采用固定頻率模式工作，但在負(fù)載下降時會自動切換至待機(jī)模式，以降低功耗，即采用空載間歇模式。

盡管該器件采用自供電設(shè)計，即變壓器上無需輔助繞組，但如果包含輔助繞組，則可用于實(shí)現(xiàn)自動恢復(fù)過壓保護(hù)功能。此外，還可以通過基于時間的檢測功能實(shí)現(xiàn)輸出短路自動恢復(fù)保護(hù)。

由于采用了安森美半導(dǎo)體的超高壓技術(shù)，NCP1067x還搭載了一個RDS(on)低至12Ω的集成式700V功率MOSFET。在連接至230V交流電源的開放式框架配置中，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)能夠提供15.5W的電源。

為提高EMI，NCP1067x采用了頻率抖動設(shè)計，即通過在標(biāo)稱開關(guān)頻率上增加一個±6%的變量。用于應(yīng)用抖動的掃描鋸齒波形由器件內(nèi)部生成。非隔離式設(shè)計采用了一個反饋引腳，該引腳將小部分的輸出電壓施加于集成式跨導(dǎo)放大器。

對更高擊穿電壓的需求不斷增加

輔助電源設(shè)計的另一個關(guān)鍵趨勢就是要求功率MOSFET上具有更高的擊穿電壓(即BVDS)。

通常，這與晶體管的物理尺寸有關(guān)，也就是說擊穿電壓越大，所需的晶體管就越大。在許多情況下，這會導(dǎo)致解決方案尺寸過大和過于昂貴，不適合大多數(shù)目標(biāo)應(yīng)用。

大多數(shù)集成MOSFET的SMPS開關(guān)均采用平面工藝。為滿足市場對尺寸和成本的限制要求，出現(xiàn)了具有700V BVDS的器件。

不過，BVDS越高，提供的電源浪涌和峰值電壓保護(hù)能力就越大，因此終端產(chǎn)品就越穩(wěn)健。為此，越來越多的公司推出具有更高BVDS但仍能提供低成本、小型BoM解決方案的開關(guān)。

為此，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款開關(guān)模塊，該模塊集成了SMPS控制器和采用自身SUPERFET? 2超級結(jié)技術(shù)構(gòu)建的功率MOSFET，以便打造出能夠提供800V BVDS、同時又仍可采用雙列直插式塑料封裝的模塊。

這一革新產(chǎn)品系列首次為制造商提供了一種既可提高產(chǎn)品性能又能滿足市場商業(yè)需求的可行解決方案。

FSL5x8電流型開關(guān)系列采用PDIP-7封裝，并包含PWM控制器和SUPERFET 2功率MOSFET。

通常，實(shí)現(xiàn)800V擊穿電壓需要使用控制器和單獨(dú)的分立式MOSFET。然而，安森美半導(dǎo)體的SUPERFET 2技術(shù)成功將這兩個器件集成至一個小型封裝中。

這樣，設(shè)計人員只需使用一個適用于隔離式（圖 3）和非隔離式（圖 4）反激設(shè)計的器件，就可以解決大約40W的高端低功耗離線輔助電源設(shè)計問題。

在NCP1067x和FSL5x8產(chǎn)品中，跨導(dǎo)放大器用作比較器，使設(shè)計人員能夠更輕松地開發(fā)非隔離式反激電源，從而優(yōu)化可用的電路板空間，并最大程度地降低BoM。

當(dāng)絕大多數(shù)低功耗離線PSU在反激模式下運(yùn)行的情況下，安森美半導(dǎo)體的電源解決方案組合中新增了這兩款產(chǎn)品，帶來了新的益處，通過更高的集成度，實(shí)現(xiàn)更高的性能和可靠性，從而提高功率密度，降低BoM成本。

雖然所有非隔離式PSU設(shè)計都只能提供有限的供電功率，但本文概述的發(fā)展表明，可以為輔助PSU設(shè)計出一種適用于低端和高端低功耗離線PSU應(yīng)用的開關(guān)。由于非隔離式反激轉(zhuǎn)換器通常比隔離式轉(zhuǎn)換器更加高效，所以也可以實(shí)現(xiàn)操作成本。

使用輔助離線PSU的主要目的就是為了減少終端產(chǎn)品消耗的待機(jī)電流。通過選用針對應(yīng)用優(yōu)化的高度集成器件，開發(fā)人員如今能夠以更小的電路板空間和最低的BoM成本實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。