除了體積小型化、功率密度最大化外,AC適配器還必須滿足或超出未來的節能標準和環保要求。本文介紹了飛兆半導體針對這些最新標準和要求,為降低AC適配器的功耗所做出的努力。

一直以來,功率管理業界都努力不懈地控制和降低手機等電子設備的功耗,尋找延長電池使用時間的方法。這種片面的關注常常忽略了另一方,即“墻壁電源”(如手機的AC適配器)的功率控制。

但最新的市場趨勢和最新出臺的法規,要求AC適配器等器件滿足或超出未來的節能標準和環保要求,如美國環保署(EPA)用于單電壓外部AC/DC電源的Energy Star(r)(能源之星)倡議。業界需要做出配合,確保電源設計符合標準、甚至得以提升。

除了在輕負載和滿負載情況下高效工作外,AC適配器還應盡可能的小型化。最小的尺寸(及最大的功率密度)是由AC適配器“立方體”所能耗散的熱量來決定的,并需要維持合理的環境溫度。

圖1:LTC3455的簡化框圖。

AC適配器的功耗

AC適配器以一定的效率將線路的電能傳送給負載,如:

h = Pout/Pin = Pout/(Pout + Pd)

此處,h=效率、Pout=傳送給負載的功率、Pin=從交流線路吸收的輸入功率、Pd=AC適配器的內部功耗。

變換此方程式得到功耗與輸出功率之間的關系:

Pd = Pout*(1-h)/h

從方程式2中,我們看到在適配器里,效率為80% 的開關穩壓器的功耗相當于傳輸功率的25%,而效率為50% 的線性穩壓器的功耗等于提供給負載的功率,即從交流線路所吸收的功率的一半。本示例中,線性穩壓器在工作狀態下消耗的功率是開關穩壓器的四倍之多。因此,提供3W峰值功率的5V/620mA AC適配器,在開關模式下會在適配器殼體內消耗750mW的功率,而在線性模式下則消耗3W。

AC適配器的功率密度

AC適配器一般要求的殼體溫度最大不得超過75℃。殼體溫度的升高與功耗和環境溫度(假設最大為45℃)成正比。密閉殼體內可消耗的熱量由熱傳遞和熱輻射等熱力學規律來決定。一個簡單的塑料殼尺寸模型為:

V = h*w*l =0.5*1*2 = 1 Inch3

此處,h=高度、l=長度、w=殼的寬度,加上熱源會通過ANSYS(基于無限元方法的熱仿真器)進行分析。殼體因電源而生熱,并獲得殼體表面溫度的變化曲線。第一級仿真表明,在殼體內需要消耗1W的功率來產生殼體表面的峰值溫度,約74℃(環境溫度45℃)。

因此,示例中的AC適配器可安放在這樣的殼體中而不會產生過熱,而線性穩壓器則肯定會超出所允許的最高溫度極限。

滿負載工作

為了達到“能源之星”有源模式的效率標準,示例中3W AC適配器的效率必須高于60%。使用飛兆電源開關(FPSTM)FSD210離線功率轉換器等開關穩壓器,便能輕易達到或超越這個性能要求。該器件包含用于電流驅動和感應(最小擊穿額定值為700V)的完全雪崩額定值、低導通電阻SenseFET橫向DMOS晶體管(LDMOS)、以及電壓模式PWM IC。這個組合可將外部元件數量減至最少,同時簡化設計、降低目標“綠色模式”AC適配器應用的功耗和成本。此外,該器件還具有欠壓鎖定、前沿消隱及熱關斷等保護功能。

圖1所示為使用此IC的AC適配器簡化框圖。線路電壓通過二極管橋式整流器BR整流并施加于變壓器T1的初級。在這種電壓模式反饋結構下,當開關SW為ON時,電能存儲在變壓器中,并在開關處于OFF時將電能傳遞給負載,時鐘頻率為134kHz。輸出電壓通過KA431電壓基準進行穩壓,而光耦合器OC通過向初級(FOD2741共封裝電壓基準和光耦合器)提供隔離反饋而閉合控制回路。

無負載工作

為了滿足“能源之星”的無負載標準,3W AC適配器的功耗應該小于。最新的設計可在無負載狀態下達到低至的功耗。但是,傳統及一般的解決方案都不能實現這種性能水平。在無負載狀態下引起功耗的因素很多,包括IC功耗、snub網絡(SNUB)、變壓器和橋式整流器。所有與這些因素相關的損耗必須被大幅降低,以便將功耗限定的范圍內。

無負載效率的目標,可通過使用FSD210功率開關等器件的突發工作模式來實現。通過選通時鐘頻率,并在輕負載條件下使其停止,該器件能夠以134kHz的標稱頻率工作,但僅為短時間突發模式,且在周期的剩余部分轉入“睡眠狀態”。這樣便可在無負載或輕負載運作時,有效將工作頻率降低到幾個kHz(約4kHz)。由于以上所列的損耗大多數隨頻率變化,突發模式可有效地減少各種損耗,使器件能輕易滿足預期的無負載功耗要求。

圖2:突發模式的電壓與電流示意圖。

我們的某個主要客戶非常欣賞我們的AC適配器技術,但他們指出該技術還需要更大程度的功率最小化。

我們的AC適配器的性能基于固態、高壓混合雙極CMOS-DMOS(BCD)工藝。舉例說,我們提供的高集成度、單片反激式(Flyback)結構能夠減少構建AC適配器所需的元件數量,是別具成本效益的解決方案,即便與最低成本的非集成式方案相比也是如此。然而,現在的IC中并沒有采取特別措施來實現輕負載或無負載操作。

對客戶來說,在滿負載工作情況下基本電壓模式反激式結構剛好滿足要求,但不符合無負載的需要?？梢愿挠免Оl工作模式來達到無負載的功耗目標。

在圖2中Vo表示基準電壓附近的輸出電壓變化；VFB表示進入/退出猝發模式的機制；Ids和Vds分別表示與DMOS集成功率晶體管相關的猝發電流和猝發電壓。

我們同時引進了客戶所需的其它功能,包括拓寬頻譜或頻率調制,以減小電磁干擾(EMI)。利用簡單的電感器而非昂貴的AC輸入模式扼流圈,在4ns內將時鐘頻率從130kHz調制到138kHz,便可將EMI減低至所限定的范圍內。

IC內部加入的另一個獨特功能是軟啟動,即在啟動時慢慢升高輸出電壓的能力,避免由于輸出儲能電容器的充電而產生過大的電流峰值。

新一代的產品包括結構上的“延展”已快速引入硅片和線路板設計中,以配合客戶的限期要求。我們的FPSTM Design Assistant是一項簡單有效的軟件工具,有助于加快整個設計過程。

總結

正確使用熱能和電氣設計技術,能完全滿足AC適配器性能的新趨勢和要求,即使在當今手機功率需求不斷增長的情況下,這些融合器件也能提供所有可想象的數據語音和視頻功能,同時滿足日益嚴格的效率要求。如果設計采用了高效的開關結構,AC適配器就不會成為功率傳輸的瓶頸。

現代電子器件的小型化趨勢及其數以億美元計的市場空間,正推動著業界進行更有效率的設計,當前許多協議和計劃的提出都證實了這一點。這些要求促進了技術的進步,超出傳統的以成本主導(即減少器件的BOM(材料清單)的模式要求。本文介紹了飛兆半導體針對有效設計外部電源的最新標準和要求,為全力降低AC適配器的功耗所推出的解決方案。

展望未來,這些需求將從無負載工作逐步拓展到滿負載工作,并且要求更新及更精巧的解決方案。

作者:Reno Rossetti

計算和超便攜產品企業戰略總監

飛兆半導體