利用安森美半導(dǎo)體NCP1937控制器設(shè)計(jì)高能效、低待機(jī)能耗75 W+電源

在人們的日常工作或生活中，所使用的筆記本或臺(tái)式電腦一體機(jī)等應(yīng)用并不總是滿負(fù)載或重負(fù)載工作，而是在相當(dāng)多的時(shí)間內(nèi)會(huì)處于待機(jī)或輕載工作模式。在消費(fèi)者節(jié)能意識(shí)不斷增強(qiáng)及能效法規(guī)日趨嚴(yán)格的當(dāng)今，電源的輕載或待機(jī)能耗性能也越來越受重設(shè)計(jì)人員重視。本文介紹安森美半導(dǎo)體NCP1937電源管理組合控制器主要特性，幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)高能效、低待機(jī)能耗(<10 mW)的75 W以上功率電源，適用于一體機(jī)和筆記本適配器及LED電視電源等領(lǐng)域。

NCP1937基本特性簡介

NCP1937是安森美半導(dǎo)體新近推出的一款組合控制器(Combo Controller)，在單芯片中集成了功率因數(shù)校正(PFC)控制器及準(zhǔn)諧振(QR)反激控制器，能用于設(shè)計(jì)緊湊、高能效、待機(jī)及輕載能耗極低的適配器等電源。

NCP1937具備一些特性，如支持省電模式(Power Saving Mode, PSM)，可將待機(jī)能耗降低至低于10 mW。該控制器包含高壓啟動(dòng)及有源輸入濾波X電容放電電路，幫助減少外部元件數(shù)量及降低待機(jī)能耗。它集成的準(zhǔn)諧振控制器帶谷底鎖定功能，提供無噪聲工作。NCP1937集成了高壓輸入欠壓檢測器，還集成了高壓開關(guān)，用于斷開PFC反饋電阻分壓器以降低待機(jī)能耗。NCP1937支持9 V至30 V的寬VCC范圍，帶內(nèi)置過壓保護(hù)。它還包含0.5 A/0.8 A源/汲電流門極驅(qū)動(dòng)器。

NCP1937采用SOIC-20封裝，圖1顯示的是其引腳配置圖。其中，HV/X2引腳用于高壓啟動(dòng)電路輸入，還用于輸入X電容放電。BO/X2引腳為整個(gè)IC執(zhí)行輸入欠壓檢測，還用于為輸入X電容放電并檢測線路電壓范圍。PControl控制PFC傳導(dǎo)誤差放大器輸出，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接此引腳及地，以設(shè)定環(huán)路帶寬。而連接在PONOFF引腳與地之間的電阻設(shè)定PFC關(guān)閉閾值。PSTimer引腳進(jìn)行省電模式控制及定時(shí)器調(diào)節(jié)。更多引腳功能參見NCP1937數(shù)據(jù)表。

圖1：NCP1937引腳配置圖。

NCP1937關(guān)鍵功能詳解

NCP1937組合控制器集成了PFC控制器和QR反激控制器。其中，PFC控制器采用臨界導(dǎo)電模式(CrM)工作，帶谷底開關(guān)、恒定導(dǎo)通時(shí)間控制及較大頻率鉗位功能。某些應(yīng)用中要求在負(fù)載變輕時(shí)關(guān)閉PFC轉(zhuǎn)換器以優(yōu)化系統(tǒng)能效。NCP1937中的PFC控制器采用新穎的架構(gòu)來確定輸出功率，并根據(jù)輸出功率來啟用/關(guān)閉PFC段。例如，用戶可以調(diào)節(jié)PFC段關(guān)閉閾值，并且針對(duì)美國及歐洲的交流電壓提供不同的PFC段關(guān)閉閾值等級(jí)，能夠減小輸出大電容。PFC控制器的跟隨升壓架構(gòu)根據(jù)交流線路電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)PFC輸出電壓(美國交流電壓輸入條件下為250 V，歐洲/亞洲交流輸入條件下為400 V)，并降低功率耗散。線路電壓前饋功能增加了動(dòng)態(tài)范圍，并提升噪聲抗擾度。PFC控制器還提供極佳的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)，因?yàn)榘�含�?dòng)態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)器(DRE)。軟過壓保護(hù)特性降低負(fù)載瞬態(tài)期間出現(xiàn)可聽噪聲的可能性。其它特性包括：正向電流感測，結(jié)合PFC零電流檢測(ZCD)；250 kHz頻率鉗位及輕載時(shí)跳周期工作；豐富的安全保護(hù)特性，如快速過壓保護(hù)(OVP)、PFB引腳開路保護(hù)、升壓及旁路二極管短路檢測。

反激控制器采用準(zhǔn)諧振峰值電流模式工作，帶谷底鎖定功能。準(zhǔn)諧振反激控制器開關(guān)驅(qū)動(dòng)器(QDRV)關(guān)閉期間延遲3 μs，消隱漏電流振鈴效應(yīng)。反激控制器內(nèi)置4 ms軟啟動(dòng)，包含128 ms定時(shí)器用于短路檢測(提供自動(dòng)恢復(fù)或閂鎖選擇)。反激控制器支持輕載工作模式，在第4個(gè)谷底后采用壓控振蕩器(VCO)工作模式，較低頻率被限制為 23.5 kHz；負(fù)載更輕時(shí)強(qiáng)迫進(jìn)入跳周期模式，進(jìn)一步節(jié)省能耗(見圖2)。其它特性包括ZCD引腳上結(jié)合過功率補(bǔ)償?shù)取?o:p>

圖2：NCP1937中的QR反激控制器在不同反饋輸入電壓條件下的工作谷底。

基于NCP1937的85 W適配器演示板性能測試

安森美半導(dǎo)體基于NCP1937組合控制器開發(fā)了一款85 W適配器演示板(見圖3)。該演示板可工作在寬范圍輸入電壓條件下，提供20 V的額定輸出電壓。演示板除了使用NCP1937，還使用安森美半導(dǎo)體NCP4303次級(jí)端同步整流控制器提供次級(jí)端同步整流，并使用安森美半導(dǎo)體用于低待機(jī)能耗電源適配器的NCP4355次級(jí)端控制器進(jìn)行次級(jí)端空載檢測控制。

圖4顯示了此演示板在不同輸出功率條件下的能效測試數(shù)據(jù)及曲線圖。測試顯示，這85 W演示板在115 Vac、92.99 W輸入功率(Pin)條件下，能效達(dá)91.28%；在230 Vac、91.85 W Pin條件下，能效達(dá)92.41%；平均能效高達(dá)90.18%。

此演示板在輕載條件下的能耗極低，也提供較高能效。如在115 Vac、5.027 W Pin條件下，能效達(dá)79.85%；而在115 Vac、11.640 W Pin條件下，能效達(dá)85.91%。而在230 Vac、5.055 W Pin條件下，能效達(dá)79.13%；在230 Vac、11.869 W Pin條件下，能效達(dá)84.25%。

如前所述，NCP1937包含獨(dú)特的省電模式(PSM)，能夠用于在空載條件下將適配器待機(jī)能耗降至較低。PSM工作采用外部控制信號(hào)來控制。實(shí)際上，次級(jí)端控制器NCP4355感測電源(VOFFDET)的輸出負(fù)載。當(dāng)檢測到輕載條件時(shí)，控制器將通過光耦發(fā)送信號(hào)，指令NCP1937進(jìn)入省電模式。指令信號(hào)通過將PSTimer引腳拉至高于3.5 V閾值，迫使控制器進(jìn)行省電模式(PSM)。而在PSM下，VCC將能夠放電，直至達(dá)到穩(wěn)壓點(diǎn)。實(shí)際上，NCP1937通過每半個(gè)周期交替導(dǎo)通HV/X2及BO/X2啟動(dòng)電路，將VCC穩(wěn)壓至VCC(PS_on)，通常是11 V。此85 W演示板采用雙線連接時(shí)測得的數(shù)據(jù)顯示：115 Vac時(shí)，NCP1937在省電模式能耗僅為4.82 mW；265 Vac時(shí)，NCP1937在省電模式下的能耗為8.68 mW。

圖5：進(jìn)入省電模式(PSM)的波形

值得一提的是，為了符合安規(guī)，AC-DC電源必須在插頭從交流插座撥出后小于1秒時(shí)間內(nèi)完成自動(dòng)對(duì)EMI輸入濾波器X2電容放電。為了符合此要求，通常使用一串高阻抗電阻與電容并聯(lián)。但這電阻鏈消耗約25 mW的輸入功率，在空載條件下這25 mW尤為刺眼。為了有效地給X2電容放電，同時(shí)降低空載能耗，安森美半導(dǎo)體的方案是通過內(nèi)部開關(guān)來檢測交流連接狀況并給電容放電，節(jié)省空載能耗。NCP1937給X2電容放電的步驟是：

1)      檢測到移除交流電壓(撥出AC插頭)時(shí)，BOX2及HVX2引腳上的電壓變?yōu)殪o態(tài)。額定的95 ms定時(shí)器計(jì)時(shí)必須用完，以使控制IC通報(bào)交流電壓已移除。通報(bào)交流線路移除時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖停止。

2)      Vcc電壓由內(nèi)部下拉電流源(額定電流11.5 mA)放電至Vcc(off)閾值。

3)      一旦Vcc被下拉至Vcc(off)，啟動(dòng)電流源以額定3.75 mA電流導(dǎo)通，并將X2電容中存儲(chǔ)的電荷傳輸至Vcc電容。

根據(jù)VCC電容與X2電容的相對(duì)尺寸大小 ，有可能使Vcc電壓到達(dá)Vcc(on)閾值并重啟控制器。然后必須再次檢測到移除交流線路。

圖6：NCP1937通過檢測交流條件來給X2電容放電，節(jié)省空載能耗

NCP1937也能在較高負(fù)載條件下提供優(yōu)異的功率因數(shù)。測試顯示，此85 W演示板在115 Vac條件下50%、75%和100%負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)分別達(dá)0.978、0.984和0.985；在230 Vac條件下75%和100%負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)分別達(dá)0.943和0.956。

小結(jié)：

安森美半導(dǎo)體的NCP1937組合控制器集成了PFC控制器和準(zhǔn)諧振反激控制器，是一款高能效、低待機(jī)能耗(可低于10 mW)的方案，適合75 W以上功率的電源應(yīng)用，如筆記本及臺(tái)式一體機(jī)電源適配器。本文介紹了NCP1937的關(guān)鍵特性以及基于NCP1937開發(fā)的85 W電源適配器演示板能效測試結(jié)果，闡釋了部分關(guān)鍵功能的工作原理，幫助設(shè)計(jì)人員更好了解這組合控制器的特性及優(yōu)勢，以開發(fā)高能效、低待機(jī)能耗的75 W以上電源方案。

參考資料：

1.    《利用NCP1937組合控制器設(shè)計(jì)低待機(jī)能耗電源》網(wǎng)上研討會(huì)演講PPT，seminar.eccn.com/130819，安森美半導(dǎo)體

2.    NCP1937數(shù)據(jù)表，www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1937-D.PDF，安森美半導(dǎo)體

3.    “待機(jī)能耗低于10 mW的高能效PFC及準(zhǔn)諧振適配器電源方案”，www.onsemi.com/pub_link/Collateral/DN05044-D.PDF，安森美半導(dǎo)體

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