筆記本電腦電源適配器—應對效率挑戰(zhàn)

1、筆記本電腦電源適配器一應對效率挑戰(zhàn)引言不久之前，筆記本電腦的功能有限，如功率要求僅為50-70瓦（W）。近年來，功率要求攀升到100 W范圍以上，但重量和尺寸的期望沒有相應地改善。此外，需要滿足規(guī)范中的 低待機功率性能、外部電源 （EPS）效率要求和IEC1000-3-2對75 W以上輸入功率的諧波要 求使這一挑戰(zhàn)更加難應對。本文探索能使電源制造商應對這些挑戰(zhàn)的新近趨勢，并提供不同替代解決方案以供選擇。隨著筆記本電腦的功能日益豐富，其功率要求也提高了。此外， 因為電池容量（或密度）提高了，充電要求也提高了一一因此，筆記本電腦適配器 的功率要求提高了一倍。然而，對于世界各地上百萬攜帶筆記本電腦的

2、用戶來說， 更大和/或更熱的電源適配器并非太具吸引力的選擇。能夠吸引人的是擁有一個輕 巧小型，但能立即充電的筆記本電腦適配器。當然，它不會產生熱量，而且不會 花費太多。近年來電子產品的發(fā)展并未增加我們在這方面的希望，而且未來的革命是否能夠實現(xiàn)依然是一個懸而未決的問題。我們也想要用一個筆記本適配器就能在全球使用，而無需110/220伏工作電壓選擇開關一一因此，筆記本電腦適配器必須為真正通用的線路電壓工作設計。同時，監(jiān)管方和OEM的期望也起到一定的作用。監(jiān)管機構希望筆記本電腦適配器不會浪費能源或在用電線路中加入諧波。第一個因素 是適配器不帶任何負載插入插頭后，它應該盡可能少的吸收功率（待機要求）。

3、人們一般習慣將筆記本電腦適配器插在插座上，卻并未連接電腦，該要求就可防止此情況下產生的損耗。第二個因素是近期的規(guī)定，它要求在不同負載條件下（25%、50%、75%和100%）有特定的平均電源工作效率，并由全球各規(guī)范機構執(zhí)行， 以便推動遵從該規(guī)范并降低間接費用。 最后， 歐盟和日本強制執(zhí)行的降低諧波要求已開始應用于筆記本電腦電源適配器，因為它們已經超過了這些標準規(guī)范的 75 W輸入功率門限。在某種意義上，筆記本電腦適配器的移動/通用特性使其成為受IEC1000-3-2規(guī)范的首個量產電源產品?，F(xiàn)有的解決方案和方法現(xiàn)有的筆記本電腦轉換器一般采用反激拓撲結構進行脈沖寬度調制（PWM）轉換。這是多年來最

4、有效的解決方案（在成本和技術上）。如圖1所示，用于筆記本電腦適配器的典型反 激轉換器在通用輸入電壓范圍（90-265 V ac）工作，而且因為采用了安森美半導體推出的高度集成的PWM控制器解決方案，使用的元件數(shù)量較少。若適配器的功率電平低于75 W，則不需額外的功率段。這些適配器的主要性能標準是功率密度（封裝尺寸的要求卜安全性和低外殼溫度。而控制的主要方法是用經典UC384X系列實現(xiàn)的電流模式控制。然而如圖1所示，如今的筆記本電腦適配器采用不同的PWM控制器（如安森美半導體的 NCP1200）。新一代PWM控制器優(yōu)于UC384X的是：圖1、采用NCP1200 PWM 控制器的反激轉換器*更高集

5、成水平減少了許多外置元件，同時依然保有電流模式控制的優(yōu)點；*能夠進入跳周期模式，以減少待機和輕載損耗；*能夠用高壓（HV）輸入啟動，降低了啟動電路中的損耗和元件成本；*無需集成電路中的誤差放大器電路，因為錯誤處理在次級完成；*易于符合安全性和 EMI，以便更快投放市場。然而，對于超過75 W功率要求的電源適配器，筆記本電腦制造商面臨一種選擇。他們可為通用應用設計適配器并為需要PFC（歐洲和日本）的市場加入功率因數(shù)校正（PFC）段或采用單獨的設計。增加 PFC段增加了復雜度和成本，使設計更具挑戰(zhàn)性。此應用中的典型設 計應用如圖2所示的臨界導電模式（CRM）升壓PFC段。p； CRM PFC設計采

6、用如圖2所示的MC33262控制器。這一簡單的 8引腳控制器可輕 松實現(xiàn)功率因數(shù)校正。在臨界導電模式中，可以實現(xiàn)一些電路水平優(yōu)勢，如無二極管恢復問 題和更低開關損耗。雖然制造商采用這一方法已在現(xiàn)有設計中體現(xiàn)可接受的性能和成本，但仍需加以改進 以滿足日益涌現(xiàn)的 要求。2段解決方案的改進近年來，很多針對性的解決方案的出現(xiàn)為2段方案提供了更佳的選擇。0進的XUMH.ffltFt.FxoxMkncv副將尉f關it事祇南srm-GDD1J 3Ml功*&2伽h 3J；. 2 口 nt電容l-fFET :冷 3 申二訃岳2片電痹事lTm,對二笑fih 14電專ft*桌可枕的改瞪性能Mist木atss豪惻廈示

7、 T-*ian*l(目標時為環(huán)3001甜務iGGin角溺i畫倔表1現(xiàn)有架構的比較在PFC方面，盡管主要采用 CRM方法，但存在明顯限制。首先，它以可變開關頻率 模式工作，而且開關頻率在零交叉和輕載情況下可升至頗高。這個可變頻率給濾波和低待機能耗帶來了問題。NCP1601（圖3）引入了一種新的解決方案，它吸取了臨界模式方法的最佳特性，同時限制開關頻率并提高待機性能。在此解決方案中，控制器可在非連續(xù)導電模式（DCM）和臨界導電模式間無縫地切換，且不會影響功率因數(shù)校正。 線路電壓在或臨近零交叉和在更輕載情況下，控制器以真正定頻DCM PFC模式工作。滿載且在線也導咆 I限制姒高幵天荻率的白匚畀年pr

8、e，-路波形峰值附近時，控制器切換至臨界模式，因此限制峰值電流值不會變得過高。獲得更低般詣屯流應Jj IfjCRMPFC圖3、在PFC電路中實現(xiàn)最佳的 CRM和DCM（采用NCP1601）此外，近年來 PFC實施中可用的分立元件也走過一段漫長的道路。PFC MOSFET要求500伏的額定值，而推出低Rds-on和小門極電荷的 MOSFET對此有巨大的幫助。CRM 或DCM電路中的升壓二極管要求不同特性而且制造商已開始推出各種元件，如MUR450PF，來迎合這些需求。這些改進的最終結果是，增加PFC從成本角度而言對適配器設計不是很大的負擔，同時能夠在滿載、低線路效率時獲得約 95%的效率和300

9、 mW的待機能耗。這些性能顯然使 適配器設計人員能滿足 OEM的規(guī)范要求。在SMPS方面，一個重要的趨勢是使用谷底開關反激轉換器替代傳統(tǒng)的定頻反激拓 撲。該方法效率更高，EMI更低。與CRM升壓拓撲面臨的問題相似，谷底開關拓撲明顯受到頻率的變化影響，該頻率變化是線路和負載的函數(shù)，可產生高EMI和待機功耗。近期控制技術的創(chuàng)新使該產業(yè)得以解決這些問題一拓展了谷底開關方案在筆記本適配器上的應用。傳統(tǒng)的谷底開關算法以檢測 MOSFET漏極電壓達到最小點進行工作并在該點導通 FET,如圖4所示。然而，根據(jù)負載和線路條件，該谷底點可迅速達到，因此產生高開關頻 率和高開關損耗。遺憾的是，此現(xiàn)象發(fā)生在低功耗至

10、關重要的輕載時。新型控制器，如 NCP1337包含跳過谷底算法來解決這個問題。如圖4所示，若谷點的開關頻率高于設定的開關頻率，MOSFET導通將延遲至下一個可用谷點。最后，由于特殊的啟動、故障模式和待機要求， 需要謹慎處理 PFC段和SMPS段間的 接口（包括相序和信號交換）。比如，許多設計人員喜歡在啟動、待機和故障模式中關閉PFC段。采用這種方法就不會有 PFC段產生的功耗。然而，它對 SMPS段帶來額外的負擔，因 為它必須能夠支持整個輸出功率而無PFC前端升壓輸入的幫助。通常反激轉換器處理的輸入范圍更寬，而且由于 PFC關閉，輸出提供全部功率的持續(xù)時段并不長，所以無需保險設 計功率段。接口

11、要求可用許多新型控制器中含有的創(chuàng)新解決方案進行簡單的處理（圖5）。此解決方案集成至智能 PWM控制器，可識別所有 PFC須關閉的模式。PWM控制器有一個 為PFC提供偏置電壓的輸出引腳一一按要求關閉PFC控制器和PFC段。這個簡單的機制適用于任何PFC控制器，因此不受限制。圖4、跳過谷底技術限制了 QR反激轉換器中的最高頻率。圖5、PWM控制器和PFC控制器間的接口便于適配器在故障、啟動和待機模式中工作。單段替代方案P；設計符合PFC要求的筆記本電腦適配器自然要 解決如何消除雙功率處理段負擔的問題。 獲得高效率和成本高效單段功率轉換是設計人員的長期追求。雖然存在許多單段解決方案,但它們仍有一些

12、限制，分別是：1.輸出電壓紋波包含低頻元件，不采用額外的儲能電容不能將其從本質上消減。2.許多方案嘗試使用電流導向在低輸出電壓紋波和低THD之間取得較佳的取舍。這些折中需要在每種設計中投入額外的精力。3特殊的規(guī)定，如輸出紋波、瞬態(tài)響應和保持時間比 2-段解決方案更難滿足。圖6、90 W適配器原型的圖片，可見可節(jié)約的空間（鳴謝：Energy Recovery Systems）若單段解決方案要在筆記本電腦適配器中占有一席之地，那么它 需要在OEM電源設計人員和關鍵電路元件經銷商間進行三方合作，以提供最佳 解決方案。OEM!要確定他們是否能對規(guī)格作出讓步，如允許的輸出紋波、瞬變 和保持時間，以節(jié)約系

13、統(tǒng)電平。電源設計人員需在開發(fā) /優(yōu)化創(chuàng)新單段解決方案 中投入時間和精力。最后，元件供應商，如半導體公司和磁芯公司必須了解系統(tǒng) 的需要并提供合適的解決方案。這種合作的一個例子是開發(fā)適配器設計解決方案以滿足領先筆記本電腦OEM的規(guī)格。該方案采用安森美半導體的 NCP1651作為磁芯控制器，能滿足所有的性能目標， 且大幅節(jié) 省成本。在開發(fā)過程中，與 OEM的交流也達成了一些規(guī)格折中方案，因此能節(jié)約更多的成 本和空間。原型照片(圖6)顯示可減小輸出電容的大小來符合修改規(guī)范。有了這個方案改善成本和性能，OEM可提供符合所有電源要求的 PFC適配器，并進一步協(xié)調供應鏈。同時， 他們也為更清潔的電源環(huán)境作出了重要的貢獻。未來的方向和結論無論采用單段架構或傳統(tǒng)的 2段，性能要求不會一直不變。電源公司及其伙伴必須保持創(chuàng)新。某些相鄰領域能促進其發(fā)展，如輸出同步整流，更創(chuàng)新的恒流/恒