笔记本电脑电源适配器—应对效率挑战

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引言

不久之前，笔记本电脑的功能有限，如功率要求仅为50-70瓦(W)。近年来，功率要求攀升到100 W范围以上，但重量和尺寸的期望没有相应地改善。此外，需要满足规范中的低待机功率性能、外部电源(EPS)效率要求和IEC1000-3-2对75 W以上输入功率的谐波要求使这一挑战更加难应对。本文探索能使电源制造商应对这些挑战的新近趋势，并提供不同替代解决方案以供选择。

随着笔记本电脑的功能日益丰富，其功率要求也提高了。此外，因为电池容量(或密度)提高了，充电要求也提高了——因此，笔记本电脑适配器的功率要求提高了一倍。然而，对于世界各地上百万携带笔记本电脑的用户来说，更大和/或更热的电源适配器并非太具吸引力的选择。能够吸引人的是拥有一个轻巧小型，但能立即充电的笔记本电脑适配器。当然，它不会产生热量，而且不会花费太多。近年来电子产品的发展并未增加我们在这方面的希望，而且未来的革命是否能够实现依然是一个悬而未决的问题。我们也想要用一个笔记本适配器就能在全球使用，而无需110/220伏工作电压选择开关——因此，笔记本电脑适配器必须为真正通用的线路电压工作设计。同时，监管方和OEM的期望也起到一定的作用。

监管机构希望笔记本电脑适配器不会浪费能源或在用电线路中加入谐波。第一个因素是适配器不带任何负载插入插头后，它应该尽可能少的吸收功率(待机要求)。人们一般习惯将笔记本电脑适配器插在插座上，却并未连接电脑，该要求就可防止此情况下产生的损耗。第二个因素是近期的规定，它要求在不同负载条件下(25%、50%、75%和100%)有特定的平均电源工作效率，并由全球各规范机构执行，以便推动遵从该规范并降低间接费用。最后，欧盟和日本强制执行的降低谐波要求已开始应用于笔记本电脑电源适配器，因为它们已经超过了这些标准规范的75 W输入功率门限。在某种意义上，笔记本电脑适配器的移动/通用特性使其成为受IEC1000-3-2规范的首个量产电源产品。 相关内容请登录：http://qcdz2011.blog.tianya.cn
现有的解决方案和方法

现有的笔记本电脑转换器一般采用反激拓扑结构进行脉冲宽度调制(PWM) 转换。这是多年来最有效的解决方案(在成本和技术上)。如图1所示，用于笔记本电脑适配器的典型反激转换器在通用输入电压范围(90-265 V ac)工作，而且因为采用了安森美半导体推出的高度集成的PWM控制器解决方案，使用的元件数量较少。若适配器的功率电平低于75 W，则不需额外的功率段。这些适配器的主要性能标准是功率密度(封装尺寸的要求)、安全性和低外壳温度。而控制的主要方法是用经典UC384x系列实现的电流模式控制。然而如图1所示，如今的笔记本电脑适配器采用不同的PWM控制器(如安森美半导体的NCP1200)。新一代PWM控制器优于UC384x 的是：


图1、采用NCP1200 PWM控制器的反激转换器  

* 更高集成水平减少了许多外置元件，同时依然保有电流模式控制的优点；
* 能够进入跳周期模式，以减少待机和轻载损耗；
* 能够用高压(HV)输入启动，降低了启动电路中的损耗和元件成本；
* 无需集成电路中的误差放大器电路，因为错误处理在次级完成；
* 易于符合安全性和EMI，以便更快投放市场。

然而，对于超过75 W功率要求的电源适配器，笔记本电脑制造商面临一种选择。他们可为通用应用设计适配器并为需要PFC(欧洲和日本)的市场加入功率因数校正(PFC)段或采用单独的设计。增加PFC段增加了复杂度和成本，使设计更具挑战性。此应用中的典型设计应用如图2所示的临界导电模式(CRM)升压PFC段。


图2 临界导通模式PFC电路(采用MC33262)  


CRM PFC设计采用如图2所示的MC33262控制器。这一简单的8引脚控制器可轻松实现功率因数校正。在临界导电模式中，可以实现一些电路水平优势，如无二极管恢复问题和更低开关损耗。

虽然制造商采用这一方法已在现有设计中体现可接受的性能和成本，但仍需加以改进以满足日益涌现的要求。  

2段解决方案的改进

近年来，很多针对性的解决方案的出现为2段方案提供了更佳的选择。



表1 现有架构的比较

在PFC方面，尽管主要采用CRM方法，但存在明显限制。首先，它以可变开关频率模式工作，而且开关频率在零交叉和轻载情况下可升至颇高。这个可变频率给滤波和低待机能耗带来了问题。NCP1601(图3)引入了一种新的解决方案，它吸取了临界模式方法的最佳特性，同时限制开关频率并提高待机性能。在此解决方案中，控制器可在非连续导电模式(DCM)和临界导电模式间无缝地切换，且不会影响功率因数校正。线路电压在或临近零交叉和在更轻载情况下，控制器以真正定频DCM PFC模式工作。满载且在线路波形峰值附近时，控制器切换至临界模式，因此限制峰值电流值不会变得过高。



图3、在PFC电路中实现最佳的CRM和DCM(采用NCP1601)

此外，近年来PFC实施中可用的分立元件也走过一段漫长的道路。PFC MOSFET要求500伏的额定值，而推出低Rds-on和小门极电荷的MOSFET对此有巨大的帮助。CRM或DCM电路中的升压二极管要求不同特性而且制造商已开始推出各种元件，如MUR450PF，来迎合这些需求。

这些改进的最终结果是，增加PFC从成本角度而言对适配器设计不是很大的负担，同时能够在满载、低线路效率时获得约95%的效率和＜300 mW的待机能耗。这些性能显然使适配器设计人员能满足OEM的规范要求。

在SMPS 方面，一个重要的趋势是使用谷底开关反激转换器替代传统的定频反激拓扑。该方法效率更高，EMI更低。与CRM升压拓扑面临的问题相似，谷底开关拓扑明显受到频率的变化影响，该频率变化是线路和负载的函数，可产生高EMI和待机功耗。近期控制技术的创新使该产业得以解决这些问题—拓展了谷底开关方案在笔记本适配器上的应用。

传统的谷底开关算法以检测MOSFET漏极电压达到最小点进行工作并在该点导通FET，如图4所示。然而，根据负载和线路条件，该谷底点可迅速达到，因此产生高开关频率和高开关损耗。遗憾的是，此现象发生在低功耗至关重要的轻载时。新型控制器，如NCP1337包含跳过谷底算法来解决这个问题。如图4所示，若谷点的开关频率高于设定的开关频率，MOSFET导通将延迟至下一个可用谷点。

最后，由于特殊的启动、故障模式和待机要求，需要谨慎处理PFC段和SMPS段间的接口(包括相序和信号交换)。比如，许多设计人员喜欢在启动、待机和故障模式中关闭 PFC段。采用这种方法就不会有PFC段产生的功耗。然而，它对SMPS段带来额外的负担，因为它必须能够支持整个输出功率而无PFC前端升压输入的帮助。通常反激转换器处理的输入范围更宽，而且由于PFC关闭，输出提供全部功率的持续时段并不长，所以无需保险设计功率段。接口要求可用许多新型控制器中含有的创新解决方案进行简单的处理(图5)。此解决方案集成至智能PWM控制器，可识别所有PFC须关闭的模式。PWM控制器有一个为PFC提供偏置电压的输出引脚——按要求关闭PFC控制器和PFC段。这个简单的机制适用于任何PFC控制器，因此不受限制。



图4、跳过谷底技术限制了QR反激转换器中的最高频率。



图5、PWM控制器和PFC控制器间的接口便于适配器在故障、启动和待机模式中工作。  

单段替代方案

设计符合PFC要求的笔记本电脑适配器自然要解决如何消除双功率处理段负担的问题。获得高效率和成本高效单段功率转换是设计人员的长期追求。虽然存在许多单段解决方案，但它们仍有一些限制，分别是：1. 输出电压纹波包含低频元件，不采用额外的储能电容不能将其从本质上消减。2. 许多方案尝试使用电流导向在低输出电压纹波和低THD之间取得较佳的取舍。这些折中需要在每种设计中投入额外的精力。3. 特殊的规定，如输出纹波、瞬态响应和保持时间比2-段解决方案更难满足。  



图6、90 W适配器原型的图片，可见可节约的空间(鸣谢：Energy Recovery Systems)

若单段解决方案要在笔记本电脑适配器中占有一席之地，那么它需要在OEM、电源设计人员和关键电路元件经销商间进行三方合作，以提供最佳解决方案。OEM需要确定他们是否能对规格作出让步，如允许的输出纹波、瞬变和保持时间，以节约系统电平。电源设计人员需在开发/优化创新单段解决方案中投入时间和精力。最后，元件供应商，如半导体公司和磁芯公司必须了解系统的需要并提供合适的解决方案。

[table][/table] 这种合作的一个例子是开发适配器设计解决方案以满足领先笔记本电脑OEM的规格。该方案采用安森美半导体的NCP1651作为磁芯控制器，能满足所有的性能目标，且大幅节省成本。在开发过程中，与OEM的交流也达成了一些规格折中方案，因此能节约更多的成本和空间。原型照片 (图6)显示可减小输出电容的大小来符合修改规范。有了这个方案改善成本和性能，OEM可提供符合所有电源要求的PFC适配器，并进一步协调供应链。同时，他们也为更清洁的电源环境作出了重要的贡献。

未来的方向和结论

无论采用单段架构或传统的2段，性能要求不会一直不变。电源公司及其伙伴必须保持创新。某些相邻领域能促进其发展，如输出同步整流，更创新的恒流/恒压(CCCV)电路和输入线路整流的更佳解决方案。此外，对于更高功率的2段解决方案，可以考虑其它拓扑结构，如谐振或钳位模式拓扑。

最后决定哪个方法最适合笔记本适配器取决于各种因素，如设计人员熟悉程度，元件供货和成本以及OEM规格。然而，表1总结了本文所列出的各种选择方案。若笔记本电脑制造商能与电源制造商和主要的元件供应商，如半导体厂商在系统级层面合作，就能出现更好的方案，来满足终端用户的需要并进一步推动技术曲线。