筆記本電腦電源適配器—應(yīng)對(duì)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(yīng)地改善。此外，需要滿足規(guī)范中的低待機(jī)功率性能、外部電源(EPS)效率要求和IEC1000-3-2對(duì)75 W以上輸入功率的諧波要求使這一挑戰(zhàn)更加難應(yīng)對(duì)。本文探索能使電源制造商應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的新近趨勢(shì)，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?yàn)殡姵厝萘?或密度)提高了，充電要求也提高了——因此，筆記本電腦適配器的功率要求提高了一倍。然而，對(duì)于世界各地上百萬攜帶筆記本電腦的用戶來說，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(gè)輕巧小型，但能立即充電的筆記本電腦適配器。當(dāng)然，它不會(huì)產(chǎn)生熱量，而且不會(huì)花費(fèi)太多。近年來電子產(chǎn)品的發(fā)展并未增加我們?cè)谶@方面的希望，而且未來的革命是否能夠?qū)崿F(xiàn)依然是一個(gè)懸而未決的問題。我們也想要用一個(gè)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(guān)——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(shè)計(jì)。同時(shí)，監(jiān)管方和OEM的期望也起到一定的作用。

　　監(jiān)管機(jī)構(gòu)希望筆記本電腦適配器不會(huì)浪費(fèi)能源或在用電線路中加入諧波。第一個(gè)因素是適配器不帶任何負(fù)載插入插頭后，它應(yīng)該盡可能少的吸收功率(待機(jī)要求)。人們一般習(xí)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(chǎn)生的損耗。第二個(gè)因素是近期的規(guī)定，它要求在不同負(fù)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(jī)構(gòu)執(zhí)行，以便推動(dòng)遵從該規(guī)范并降低間接費(fèi)用。最后，歐盟和日本強(qiáng)制執(zhí)行的降低諧波要求已開始應(yīng)用于筆記本電腦電源適配器，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)超過了這些標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)/通用特性使其成為受IEC1000-3-2規(guī)范的首個(gè)量產(chǎn)電源產(chǎn)品。

　　現(xiàn)有的解決方案和方法

　　現(xiàn)有的筆記本電腦轉(zhuǎn)換器一般采用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換。這是多年來最有效的解決方案(在成本和技術(shù)上)。如圖1所示，用于筆記本電腦適配器的典型反激轉(zhuǎn)換器在通用輸入電壓范圍(90-265 V ac)工作，而且因?yàn)椴捎昧税采腊雽?dǎo)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(biāo)準(zhǔn)是功率密度(封裝尺寸的要求)、安全性和低外殼溫度。而控制的主要方法是用經(jīng)典UC384x系列實(shí)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(dǎo)體的NCP1200)。新一代PWM控制器優(yōu)于UC384x的是：

　　* 更高集成水平減少了許多外置元件，同時(shí)依然保有電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)；

　　* 能夠進(jìn)入跳周期模式，以減少待機(jī)和輕載損耗；

　　* 能夠用高壓(HV)輸入啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)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?yàn)殄e(cuò)誤處理在次級(jí)完成；

　　* 易于符合安全性和EMI，以便更快投放市場(chǎng)。

　　然而，對(duì)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(yīng)用設(shè)計(jì)適配器并為需要PFC(歐洲和日本)的市場(chǎng)加入功率因數(shù)校正(PFC)段或采用單獨(dú)的設(shè)計(jì)。增加PFC段增加了復(fù)雜度和成本，使設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。此應(yīng)用中的典型設(shè)計(jì)應(yīng)用如圖2所示的臨界導(dǎo)電模式(CRM)升壓PFC段。

　　CRM PFC設(shè)計(jì)采用如圖2所示的MC33262控制器。這一簡(jiǎn)單的8引腳控制器可輕松實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。在臨界導(dǎo)電模式中，可以實(shí)現(xiàn)一些電路水平優(yōu)勢(shì)，如無二極管恢復(fù)問題和更低開關(guān)損耗。

　　雖然制造商采用這一方法已在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中體現(xiàn)可接受的性能和成本，但仍需加以改進(jìn)以滿足日益涌現(xiàn)的要求。

　　2段解決方案的改進(jìn)

　　近年來，很多針對(duì)性的解決方案的出現(xiàn)為2段方案提供了更佳的選擇。

　　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(guān)頻率模式工作，而且開關(guān)頻率在零交叉和輕載情況下可升至頗高。這個(gè)可變頻率給濾波和低待機(jī)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(shí)限制開關(guān)頻率并提高待機(jī)性能。在此解決方案中，控制器可在非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和臨界導(dǎo)電模式間無縫地切換，且不會(huì)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。滿載且在線路波形峰值附近時(shí)，控制器切換至臨界模式，因此限制峰值電流值不會(huì)變得過高。

　　此外，近年來PFC實(shí)施中可用的分立元件也走過一段漫長(zhǎng)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(duì)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(jìn)的最終結(jié)果是，增加PFC從成本角度而言對(duì)適配器設(shè)計(jì)不是很大的負(fù)擔(dān)，同時(shí)能夠在滿載、低線路效率時(shí)獲得約95%的效率和<300 mW的待機(jī)能耗。這些性能顯然使適配器設(shè)計(jì)人員能滿足OEM的規(guī)范要求。

　　在SMPS方面，一個(gè)重要的趨勢(shì)是使用谷底開關(guān)反激轉(zhuǎn)換器替代傳統(tǒng)的定頻反激拓?fù)?。該方法效率更高，EMI更低。與CRM升壓拓?fù)涿媾R的問題相似，谷底開關(guān)拓?fù)涿黠@受到頻率的變化影響，該頻率變化是線路和負(fù)載的函數(shù)，可產(chǎn)生高EMI和待機(jī)功耗。近期控制技術(shù)的創(chuàng)新使該產(chǎn)業(yè)得以解決這些問題—拓展了谷底開關(guān)方案在筆記本適配器上的應(yīng)用。

　　傳統(tǒng)的谷底開關(guān)算法以檢測(cè)MOSFET漏極電壓達(dá)到最小點(diǎn)進(jìn)行工作并在該點(diǎn)導(dǎo)通FET，如圖4所示。然而，根據(jù)負(fù)載和線路條件，該谷底點(diǎn)可迅速達(dá)到，因此產(chǎn)生高開關(guān)頻率和高開關(guān)損耗。遺憾的是，此現(xiàn)象發(fā)生在低功耗至關(guān)重要的輕載時(shí)。新型控制器，如NCP1337包含跳過谷底算法來解決這個(gè)問題。如圖4所示，若谷點(diǎn)的開關(guān)頻率高于設(shè)定的開關(guān)頻率，MOSFET導(dǎo)通將延遲至下一個(gè)可用谷點(diǎn)。

　　最后，由于特殊的啟動(dòng)、故障模式和待機(jī)要求，需要謹(jǐn)慎處理PFC段和SMPS段間的接口(包括相序和信號(hào)交換)。比如，許多設(shè)計(jì)人員喜歡在啟動(dòng)、待機(jī)和故障模式中關(guān)閉PFC段。采用這種方法就不會(huì)有PFC段產(chǎn)生的功耗。然而，它對(duì)SMPS段帶來額外的負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗仨毮軌蛑С终麄€(gè)輸出功率而無PFC前端升壓輸入的幫助。通常反激轉(zhuǎn)換器處理的輸入范圍更寬，而且由于PFC關(guān)閉，輸出提供全部功率的持續(xù)時(shí)段并不長(zhǎng)，所以無需保險(xiǎn)設(shè)計(jì)功率段。接口要求可用許多新型控制器中含有的創(chuàng)新解決方案進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理(圖5)。此解決方案集成至智能PWM控制器，可識(shí)別所有PFC須關(guān)閉的模式。PWM控制器有一個(gè)為PFC提供偏置電壓的輸出引腳——按要求關(guān)閉PFC控制器和PFC段。這個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)制適用于任何PFC控制器，因此不受限制。

　　單段替代方案

　　設(shè)計(jì)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(fù)擔(dān)的問題。獲得高效率和成本高效單段功率轉(zhuǎn)換是設(shè)計(jì)人員的長(zhǎng)期追求。雖然存在許多單段解決方案，但它們?nèi)杂幸恍┫拗?，分別是：

　　1. 輸出電壓紋波包含低頻元件，不采用額外的儲(chǔ)能電容不能將其從本質(zhì)上消減。

　　2. 許多方案嘗試使用電流導(dǎo)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(shè)計(jì)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(yīng)和保持時(shí)間比2-段解決方案更難滿足。

　　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(shè)計(jì)人員和關(guān)鍵電路元件經(jīng)銷商間進(jìn)行三方合作，以提供最佳解決方案。OEM需要確定他們是否能對(duì)規(guī)格作出讓步，如允許的輸出紋波、瞬變和保持時(shí)間，以節(jié)約系統(tǒng)電平。電源設(shè)計(jì)人員需在開發(fā)/優(yōu)化創(chuàng)新單段解決方案中投入時(shí)間和精力。最后，元件供應(yīng)商，如半導(dǎo)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(gè)例子是開發(fā)適配器設(shè)計(jì)解決方案以滿足領(lǐng)先筆記本電腦OEM的規(guī)格。該方案采用安森美半導(dǎo)體的NCP1651作為磁芯控制器，能滿足所有的性能目標(biāo)，且大幅節(jié)省成本。在開發(fā)過程中，與OEM的交流也達(dá)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(gè)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(jìn)一步協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈。同時(shí)，他們也為更清潔的電源環(huán)境作出了重要的貢獻(xiàn)。

　　未來的方向和結(jié)論

　　無論采用單段架構(gòu)或傳統(tǒng)的2段，性能要求不會(huì)一直不變。電源公司及其伙伴必須保持創(chuàng)新。某些相鄰領(lǐng)域能促進(jìn)其發(fā)展，如輸出同步整流，更創(chuàng)新的恒流/恒壓(CCCV)電路和輸入線路整流的更佳解決方案。此外，對(duì)于更高功率的2段解決方案，可以考慮其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如諧振或鉗位模式拓?fù)洹?/p>

　　最后決定哪個(gè)方法最適合筆記本適配器取決于各種因素，如設(shè)計(jì)人員熟悉程度，元件供貨和成本以及OEM規(guī)格。然而，表1總結(jié)了本文所列出的各種選擇方案。若筆記本電腦制造商能與電源制造商和主要的元件供應(yīng)商，如半導(dǎo)體廠商在系統(tǒng)級(jí)層面合作，就能出現(xiàn)更好的方案，來滿足終端用戶的需要并進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)曲線。