基于onsmei NCP1937+NCP4304應(yīng)用于呼吸器的高效率低待載功耗90W電源適配器方案

近年來(lái)直流無(wú)刷馬達(dá)(BLDC)被廣泛的應(yīng)用在各產(chǎn)業(yè)中，例如:汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)里的散熱風(fēng)扇、雨刷等，或是消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)里的家用風(fēng)扇、空氣清凈機(jī)等，或者是醫(yī)療產(chǎn)業(yè)里的呼吸器、分析儀等應(yīng)用。這些直流無(wú)刷馬達(dá)的應(yīng)用都需要一個(gè)直流電源。另外，環(huán)保意識(shí)抬頭的風(fēng)潮下，各國(guó)都紛紛制定適配器電源相關(guān)的規(guī)范來(lái)約束，歐盟Code of Conduct(CoC)與美國(guó)能源部(DoE)為目前電源業(yè)界最常使用得規(guī)范，使得整個(gè)適配器電源市場(chǎng)都要求高效率與低空載待機(jī)功耗。以一個(gè)90W的適配器為例，其整體四點(diǎn)平均效率(25%, 50%, 75%, 100%)必須大于89%，空載待機(jī)功耗必須小于0.15W。另外，為了符合法規(guī)要求線路會(huì)搭配功率因數(shù)校正電路(PFC)，使得適配器在滿載時(shí)有好的功率因數(shù)表現(xiàn)，因此，適配器在空載待機(jī)與搭配功率因數(shù)校正電路狀況下，空載待機(jī)功耗要小于0.15W幾乎是很難達(dá)到，所以勢(shì)必要把功率因數(shù)校正電路給關(guān)閉。

因此本方案以呼吸器用的24V-90W電源適配器為例，主要控制器采用安森美半導(dǎo)體Combo IC NCP1937，并搭配二次側(cè)同步整流NCP4304來(lái)實(shí)現(xiàn)本案的訴求高效能、低空載待機(jī)功耗。本案會(huì)采用NCP1937主要它是一款Combo IC (CrM_PFC+QR_PWM)，可大幅簡(jiǎn)化PFC與PWM周邊元件，再者，CrM_PFC又非常適合在150W以下的應(yīng)用場(chǎng)合。另外，NCP1937有提供兩個(gè)獨(dú)特功能，讓設(shè)計(jì)者能將它調(diào)整成適合各領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，NCP1937有提供依照輸入電壓而提供兩階不同輸出電壓，這功能可以提高低壓輸入時(shí)的整體效率，不用再搭配額外電路就可達(dá)到，當(dāng)然這功能也可以讓使用者關(guān)閉(Pin18不使用)。NCP1937也提供讓使用者透過(guò)外部連接一對(duì)地電阻設(shè)定來(lái)控制PFC的ON/OFF，當(dāng)NCP1937 Pin 6電壓低于2V時(shí)，NCP1937會(huì)關(guān)閉PFC，反之亦然，這PFC啟閉功能可以提高整體線路在中載與輕載時(shí)效率，這功能也不需要額外的線路就可達(dá)成。本方案也會(huì)使用NCP1937這兩個(gè)獨(dú)特功能，首先，高/低電壓輸入時(shí)，其PFC電壓為設(shè)定為400V/193V。再者，將PFC ON/OFF設(shè)定輸出瓦數(shù)超出5.4W開(kāi)啟PFC，輸出瓦數(shù)低于0.72W關(guān)閉PFC，這主要是讓PFC電路在空載時(shí)是關(guān)閉的，以獲得好的待機(jī)功耗表現(xiàn)。在輸出5.4W時(shí)開(kāi)啟PFC，這主要考量呼吸器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其電流是高高低低的，不會(huì)維持在一定值，為了讓PFC電路不受呼吸器運(yùn)轉(zhuǎn)所影響，而開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)的，因此將瓦數(shù)設(shè)在5.4W開(kāi)啟PFC線路，使適配器可在極低輸出瓦數(shù)下可以穩(wěn)定的操作。

本方案的呼吸器用的24V-90W適配器電源也應(yīng)用NCP1937這兩個(gè)獨(dú)特功能以達(dá)到高效率(＞90%)與低空載待機(jī)功耗(＜0.15W)要求。圖一、為本案在不同輸入電壓/輸出瓦數(shù)下的效率表現(xiàn)，最佳效率有92.1% @264Vac/75% Load，最差效率還有87.29% @240Vac/25%Load，其四點(diǎn)平居效率為90%。圖二、為本案在不同輸入電壓@10% Load以下，其效率的表現(xiàn)，從圖二可看出在10%Load下最差效率還有79.58%的表示。圖三、為本案在不同輸入電壓下的空載待機(jī)功耗表現(xiàn)，可以看出本案最差的空載待機(jī)功耗是0.06W@264Vac時(shí)，其待機(jī)功耗是可以符合法規(guī)的要求0.15W以下。圖四、為本案在不同輸入電壓/輸出瓦數(shù)的PF值表現(xiàn)，從圖四中可以看出@25% Load下PFC電路還是開(kāi)啟的。圖五、為本案在不同輸入電壓下PFC電路開(kāi)啟/關(guān)閉的狀況，PFC開(kāi)啟電流在0.225A，PFC關(guān)閉電流在0.03A。

安森美半導(dǎo)體NCP1937是一款先進(jìn)的Combo IC，它結(jié)合PFC(Power Factor Correction)與QR_Flyback(Quasi-Resonant_Flyback)控制器在SOIC-20包裝里。在PFC部分，它是屬于CrM(Critical Conduction Mode, CrM)的操作模式并帶有最大頻率限制機(jī)制(Maximum frequency clamp)，此功能主要在輕載時(shí)能有效降低PFC MOSFET切換損失(PFC MOSFET switching losses)，以提升PFC在輕載時(shí)的整體效率，并且PFC控制器也提供過(guò)電壓保護(hù)與昇壓二極體短路保護(hù)。另外，NCP1937也提供讓使用者透過(guò)外部電阻來(lái)設(shè)定控制PFC的ON/OFF。在QR_Flyback部分，它是屬于谷底切換的操作(Valley Switching Operation)并帶有谷底閉鎖(Valley-LocKout)的功能，此功能能讓Power supply大幅減少噪音的發(fā)生，并且QR_Flyback控制器也提供內(nèi)部4mS軟啟動(dòng)功能、可調(diào)整得過(guò)功率保護(hù)、輸出線圈與二極體短路保護(hù)。

       NCP4304是安森美半導(dǎo)體一款全功能的控制器與驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)門(mén)為開(kāi)關(guān)電源的同步整流電路而設(shè)計(jì)，適用于Flyback、Forwoard與HB-LLC等電路架構(gòu)中。它提供外部可調(diào)最短開(kāi)關(guān)時(shí)間有助減寄生元件所產(chǎn)生的震蕩，NCP4304也提供高達(dá)200V的零電流偵測(cè)能力、高汲電流能力(Isource=2.5A / Isink=5A)與寬操作電壓(30V)，讓NCP4304適合運(yùn)用在更寬廣的輸出電壓場(chǎng)合。

?場(chǎng)景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1. 高整合度IC包含PFC與QR_Flyback控制器

2. PFC控制器為CRM操作模式并帶有最大頻率的限制

3. PFC控制器提供PFC diode短路保護(hù)

4. 依照輸入電壓不同提供兩階不同的PFC輸出電壓

5. 可規(guī)劃PFC的啟/閉點(diǎn)

6. QR_Flyback控制器為谷底切換操作并帶有谷底閉鎖功能

7. QR_Flyback控制器提供頻率折返功能并帶有最小切換頻率的限制以提高輕載效率

8. QR_Flyback控制器提供繞組短路與輸出二極體短路保護(hù)

?方案規(guī)格

1. 全電壓輸入: 90Vac ~ 264Vac

2. 最大輸出功率: 24V/3.75A

3. 四點(diǎn)效率 > 90% @(25%, 50%, 75% ,100%)

4. PFC啟/閉瓦數(shù)為5.4W/ 0.72W

5. 具有過(guò)壓保護(hù)OVP與過(guò)溫保護(hù)OTP

7. 展示板PCB尺寸LxWxH=130mm x 65mm x 32mm