半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步締造更智能、更纖薄的電源

隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)及電視機(jī)采用更纖薄優(yōu)雅的外形因數(shù)，電源必須降低厚度，超便攜計(jì)算機(jī)用的適配器也必須變成緊湊輕巧的旅行伴侶。

為了幫助符合此類目標(biāo)，準(zhǔn)方波諧振(QR)電源提供高開關(guān)能效，還幫助降低電磁干擾(EMI)，能簡(jiǎn)化電磁的屏蔽或抑制。反激及功率因數(shù)校正(PFC)組合型控制器管理電源，令設(shè)計(jì)人員能夠減少器件數(shù)量。此外，通過(guò)在低負(fù)載/空載條件下關(guān)閉PFC，控制器還能提升待機(jī)能效。此類器件的路線圖正趨向進(jìn)一步提升功能集成度，及增強(qiáng)開關(guān)性能，用以降低可聽噪聲。

組合型QR/PFC控制器

市場(chǎng)上存在多種包含PFC及準(zhǔn)諧振反激反激控制功能、采用單個(gè)封裝的組合型器件。高壓集成電路(IC)技術(shù)容許采用經(jīng)過(guò)整流的交流線電路來(lái)直接啟動(dòng)。邏輯電路控制反激及PFC開關(guān)波形，以及其它功能，如軟啟動(dòng)，過(guò)流、過(guò)壓及過(guò)溫保護(hù)等保護(hù)功能，安全重啟，及退磁檢測(cè)。

在正常工作期間，PFC通將無(wú)功功率(reactive power)降至較低及防止線電壓失真來(lái)提升能效。電器在功率高于70 W時(shí)強(qiáng)制要求PFC；但功率等級(jí)低于70 W時(shí)則不要求PFC，其間PFC電路的能耗可能會(huì)降低能效。為了節(jié)省這些能耗，市場(chǎng)上某些反激/PFC組合控制器能夠在輕載時(shí)及關(guān)閉模式下關(guān)閉PFC電路，并因此提升能效。

安森美半導(dǎo)體的NCP1937組合型PFC及準(zhǔn)諧振反激控制器提供一項(xiàng)新穎的功能，令用戶可以根據(jù)輸出功率占滿載功率的百分比來(lái)設(shè)定PFC關(guān)閉閾值。內(nèi)部電路產(chǎn)生跟輸出功率成正比例的電流，此電流使用外部電阻及電容來(lái)調(diào)節(jié)和平均，以產(chǎn)生與輸出功率成正比的電壓。此IC結(jié)合使用此電壓及集成的PFC關(guān)閉定時(shí)器和隨著線電壓變化的參考電壓，以協(xié)調(diào)PFC的關(guān)閉和重新啟用。這就使PFC段能夠在低線電壓下25%至50%負(fù)載及高線電壓下50%至75%負(fù)載期間關(guān)閉。上電期間PFC段也關(guān)閉，直至反激軟啟動(dòng)定時(shí)到期。此外，通斷開反饋連接來(lái)關(guān)閉PFC所需的電路也集成在此器件中。傳統(tǒng)組合型器件要求包含MOSFET電路的外部反饋連接，以根據(jù)要求斷開或閉合回路。圖1展示了PFC導(dǎo)通/關(guān)閉控制電路。

圖1. PFC導(dǎo)通/關(guān)閉控制集成電路。

此功能提供了一個(gè)示例，彰顯高壓IC技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步如何使制造商能夠提供更高集成度的控制器，使電源設(shè)計(jì)人員能夠省去額外的外部電路，并進(jìn)一步提升完整負(fù)載范圍下的能效。帶有高壓功能的IC提供的數(shù)字功能通常有限。如今，更高端的高壓工藝配合更小的數(shù)字特征尺寸，容許增加額外的芯片內(nèi)建功能，使設(shè)計(jì)人員能夠以比以往盡可能小的外形因子，構(gòu)建更加智能及更高精度的電源方案。

改進(jìn)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)

安森美半導(dǎo)體的700 V高壓工藝還使此控制器能夠集成用于在AC線電壓移除時(shí)對(duì)X2輸入濾波電容放電(一項(xiàng)安全機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)要求的功能)的大多數(shù)電路。這就節(jié)省PCB空間及用于X2電容放電之外部電阻網(wǎng)絡(luò)的能耗。NCP1937控制器包含兩個(gè)高壓?jiǎn)��?dòng)電路，并且使用了一種新穎的方法來(lái)重新配置這些電路，從而在交流線電路移除的情況下對(duì)輸入濾波電容放電。

此高端工藝還能集成其它功能，幫助節(jié)省幾個(gè)外部器件；這些功能包括省電模式(PSM)功能，此功能將供電電流降至低于70 μA。傳統(tǒng)反激控制IC采用的典型方法是使用有源關(guān)閉(active-off)集成來(lái)啟用低功率模式，此方法要求額外的偏置電流來(lái)下拉次級(jí)端的光耦，降低了系統(tǒng)總能效。相比較而言，NCP1937包含內(nèi)置電路，無(wú)須此類偏置電流，因而在空載條件下提升系統(tǒng)能效。 

增加的數(shù)字集成功能及高級(jí)的700 V高壓工藝，還支援芯片置建應(yīng)用更多保護(hù)功能所要求的電路，如故障檢測(cè)、電流感測(cè)及過(guò)功率補(bǔ)償，降低了對(duì)外部器件的依賴。

更佳用戶體驗(yàn)

反激轉(zhuǎn)換器的QR工作目前在膝上型計(jì)算機(jī)電源適配器及電視中很流行，主要?dú)w功于零電壓開關(guān)(ZVS)或谷底開關(guān)技術(shù)，此技術(shù)相較于硬開關(guān)技術(shù)提升了開關(guān)能效，且產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)更低。

QR轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率本質(zhì)上會(huì)根據(jù)輸入及輸出負(fù)載條件而變化，而且往往會(huì)隨著輸出負(fù)載下降而增加。在傳統(tǒng)QR轉(zhuǎn)換器中，自激(free-running)頻率通常鉗位在125 kHz，低于150 kHz的CISPR-22 EMI起點(diǎn)。因此，在輕載條件下，MOSFET無(wú)法在一檢測(cè)到谷底時(shí)就導(dǎo)通，但必須等候8 μs定時(shí)到期，因此導(dǎo)致某些谷底被略過(guò)。然而，如果輸出功率處于某個(gè)等級(jí)，以致于逐周期能量均衡所需的關(guān)閉時(shí)間下降到相鄰兩個(gè)谷底之間，兩個(gè)或三個(gè)周期的第一谷底開關(guān)之后可能接續(xù)的是一個(gè)周期的第二谷底開關(guān)。這種現(xiàn)象稱作谷底跳頻，導(dǎo)致開關(guān)頻率大幅變化，此變化被峰值電流的大幅變化補(bǔ)償，較終使變壓器出現(xiàn)可聽噪聲。

跳周期或頻率反走工作通常用于在實(shí)現(xiàn)頻率鉗位后降低開關(guān)頻率。這在提升輕載能效方面很有效，但不會(huì)防止谷底跳頻。這種方法的另一項(xiàng)缺點(diǎn)是要求的開關(guān)頻率相對(duì)較低，通常在30 kHz左右，需要更大的變壓器。

安森美半導(dǎo)體具有專利的谷底鎖定(Valley Lockout)技術(shù)省去谷底跳頻，憑借的是將轉(zhuǎn)換器鎖定在它選擇的谷底，直至檢測(cè)到輸出功率明顯變化。就NCP1937而言，此器件通過(guò)使用一些比較器來(lái)監(jiān)測(cè)反饋接腳上的電壓并將此信息饋送給計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。每個(gè)比較器上的遲滯鎖定工作谷底。此外，以壓控振蕩器(VCO)為基礎(chǔ)的頻率反走電路隨著輸出功率下降而降低開關(guān)頻率，進(jìn)一步提升了輕載能效。 

圖2. 安森美半導(dǎo)體的谷底鎖定檢測(cè)電路。

此項(xiàng)創(chuàng)新提供更優(yōu)異的能效及更佳的用戶體驗(yàn)，還結(jié)合了反激/PFC組合控制器恰當(dāng)工作所必需的更高芯片內(nèi)置功能集成度，使設(shè)計(jì)人員能夠符合當(dāng)今消費(fèi)及商業(yè)電子市場(chǎng)的要求。

總結(jié)

持續(xù)提升PC及電視等大批量電子產(chǎn)品能效的需求來(lái)自多個(gè)方向，包括政府及生態(tài)設(shè)計(jì)團(tuán)體。對(duì)于較終用戶而言，更小巧輕薄的產(chǎn)品既要符合這些要求，又要滿足他們對(duì)更佳造型設(shè)計(jì)和更佳移動(dòng)性的渴求。隨著設(shè)備變得更加智能，在多種工作條件及使用模式下將能效提升至較高，如今電源可以透過(guò)利用較新的電源半導(dǎo)體創(chuàng)新，不論是看上去還是工作起來(lái)均更加智能。

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