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电源适配器市场的趋势暨安森美半导体解决方案

2021-09-15 11:23:53
【导读】电源适配器市场的趋势暨安森美半导体解决方案

电源适配器主要包括两类,一类是内部交流/直流(AC/DC)电源转换器,内置在电子产品内部,可能拥有多路输出电压,如台式计算机内部电源等;另一类是外部单路输出AC/DC或交流/交流(AC/AC)电源适配器,拥有单路输出电压,通常简称为外部电源(EPS),广泛用于打印机、笔记本、LCD显示器和游戏机等应用。

电源适配器的通用市场趋势 从通用市场来看,电源适配器主要体现出一些重要趋势。一是工作能效和待机(空载)能耗要求更高。例如,美国环保署(EPA)“能源之星”项目于2008年4月发布了针对外部电源的2.0版规范,从表1的对比中可以看出2.0版规范的要求高于1.1版规范。这针对外部电源的EPA 2.0版规范将于2008年11月1日开始生效。

表1:“能源之星”外部电源规范对比(Ln为额定输出功率的自然对数)。

而在台式计算机电源等内部电源方面,“能源之星” 的4.0版规范(EPA 4.0)的第一阶段要求自2007年7月20日开始生效。该规范要求台式机在20%、50%和100%负载条件下的能效最低达80%。此外,更新的5.0版规范第一阶段要求将于2009年7月1日开始生效,将要求使用内部电源的计算机在50%负载条件下工作效率最低达85%,而在20%和100%负载条件下最低效率达到82%。 除了“能源之星”这类的业界能效规范要求,某些大型的OEM客户可能还会有自己独特的工作能效和能耗要求。例如,针对计算机电源的EPA 4.0规范对于使用外部电源的笔记本电脑和平板电脑的要求主要体现在待机能耗(≤1.0W)、休眠能耗(≤1.7W)等方面;相比较而言,戴尔针对这类电源的要求主要体现在不同特定负载条件下的能效,即在0.7W(输入功率Pin<1W)、1.5W(Pin<2W)、10.7W(Pin< 12.6W)和17W(Pin<20W)负载条件下,能效分别要高于70%、75%、85%和85%。 值得一提的是,有关能效规范未来仍将不断提高要求和演进。以笔记本电脑AC-DC电源适配器为例,目前业界在空载模式能耗方面的较高水平约在300mW以上,而未来空载模式下150mW的能耗可能成为目标。而且,有关多输出适配器的要求也可能被纳入标准之中。 电源适配器市场的另外一个重要趋势,是客户需要具有更高输出功率、更小体积的适配器,这就涉及到新拓扑技术的使用。采用安森美半导体的NCP1605 功率因数校正(PFC)控制器和NCP1396谐振模式控制器可用于设计200W台式适配器或是300W适配器。而从笔记本适配器而言,其功率要求已经从50W至70W范围上升到超过100W等级。另外,诸如苹果MacBook Air和联想ThinkPad X300等新型超便携笔记本的电源适配器也更小更轻。 除了这些趋势,另外一个值得注意的动向是,在“能源之星”针对外部电源的正式2.0版规范中对功率因数(PF)限制的放松。实际上,根据已经在欧洲和日本实施的IEC61000-3-2谐波电流减少标准,功率大于75W的适配器应用中需要PFC。目前市场上既有传统的“功率因数校正+脉宽调制”(PFC+PWM)两段式架构,也有将这两段融合为一段的单段PFC式架构。两段式架构能够在115Vac和230Vac条件下都实现0.9的功率因数,而且动态响应速度和纹波方面的性能更佳,但这种架构是一种资源密集型设计,会采用更多的元器件,如控制IC、电感和MOSFET等,而且可能会导致工作模式下能效的下降;相比较而言,另一种单段式PFC架构将PWM段和PFC段融合在一起,减少了控制IC、电感和MOSFET的使用,实现了能效的提升和显著的成本降低。只不过,单段式PFC架构的外部电源在230 Vac测试条件下,功率因数通常只大于0.8,离0.9的限制还有不少距离,要实现0.9的功率因数限制要求,需要对电路进行一些修改,但这种修改又会损失几个百分点的能效。 因此,针对外部电源的“能源之星”正式2.0版规范中,将功率因数要求限制在输入功率大于100W的外部电源和115Vac电压的测试条件,而对230Vac则不作要求;设计用于同时能够工作在115Vac和230Vac条件下的外部电源在功率因数方面只需要满足115Vac条件下的测试要求。这样一来,具有更高性价比、适合电源适配器等应用的单段式PFC将赢来更大的发展动力。

电源适配器面临的挑战 综合以上电源适配器的通用市场趋势,我们可以得出结论,电源适配器所面临的主要挑战在于: 降低空载输入功率; 提高总体能效; 特别针对笔记本适配器而言,注意待机、休眠和空闲等不同模式下的能效; 改善功率因数; 下面我们将按照不同功率等级的应用,分享安森美半导体的相关解决方案。

安森美半导体电源适配器解决方案

[!empirenews.page] 1) 输入功率小于75W的适配器应用 如上所述,在输入功率小于75 W时,外部电源无需PFC,系统主要只是PWM段,其结构示意图如图1所示。这种情况下,通常采用的是反激式拓扑结构,适配器既能工作在固定频率(FF),也能工作在可变频率(VF)的控制器(特别是就准谐振模式而言)。在额定负载和轻载条件下,要同时实现较高能效,关键就在于要采用能够根据负载状况调整工作模式的智能控制器。

图1:单段PFC架构的适配器结构示意图。

针对这类应用,安森美半导体推出了一系列的PWM控制器解决方案。其中,就功率介于10W至50W范围的应用而言,可以采用NCP1351和NCP1216等器件。其中,NCP1351采用固定导通时间、可变关闭时间电流模式控制技术,会在负载变低时降低开关频率,可以提供卓越的空载能耗,并在轻载条件下提供最佳的能效表现;当频率下降时,峰值电流逐渐下降到最大峰值电流的大约30%,能够避免变压器发生机械共振,从而大幅消除可听噪声,并保持良好的待机能耗表现。值得一提的是,安森美半导体推出了基于NCP1351的GreenPointTM 40W打印机电源适配器参考设计。这参考设计的待机能耗低于150mW,而目前常用的40W打印机在相似情况下能耗约为450mW。在额定负载条件下,该设计的能效高达85%;而其采用的频率反走技术,也令其在高于2W的轻载条件下能效高于80%。除了NCP1351和NCP1216,安森美半导体还将推出NCP1217和NCP1380等新器件。 而在40W至70W的功率应用范围,也可采用NCP1271、NCP1219和NCP1288等固定频率控制器(其中NCP1219和NCP1288为新产品,即将推出),还可采用NCP1377、NCP1337和NCP1380等可变频率控制器。 除了PWM控制器,功率小于75W的电源适配器中,还可采用其它的众多安森美半导体器件。如在电压反馈环节,可以采用TL431、TLV431、NCP100和NCP4300(用于第二代恒流恒压适配器)等分流稳压器。而在整流器和MOSFET方面,安森美半导体同样提供众多适用的器件,其中包括电压介于45至100V、电流介于3至10A的所有H系列和L系列肖特基二极管,以及NCP4302控制器。以NCP4302为例,这是一款集成型同步整流(SR)控制器与驱动器,集成了在反激转换器中应用同步整流技术所需的全部控制和保护功能,支持任何类型的反激拓扑结构图(连续导电模式、准谐振模式或不连续导电模式),非常适合于适配器、充电器和机顶盒等空间敏感型应用。

图2:功率小于75W的电源适配器架构

2) 输入功率大于75 W的应用 相反,根据IEC61000-3-2标准,如果输入功率大于75W,则需要增加PFC,即构成PFC+PWM的两段式外部电源架构,如图3所示。在这种功率等级的PFC段中,临界导电模式(CRM)应用得非常广泛;而在主转换器段,则有反激、正激有源钳位和谐振LLC等多种拓扑结构可供选用。

图3:输入功率大于75W的PFC+PWM两段式外部电源架构示意图。

如果我们把大于75W这个功率范围进一步细化,可将其分为75至120W和120至250W这两个细分范围应用。其中,就75至120W功率应用而言,可以采用NCP1606这样的CRM PFC控制器。实际上,在功率等级低于150W的应用中,CRM是一种非常适合的PFC方案。安森美半导体的NCP1606是一款有源PFC控制器,特别设计用于在电子镇流器、AC-DC电源适配器和其它中等功率离线转换器(通常功率最高可达300W)中用作预转换器。它嵌入了CRM机制,在多种输入电压和功率等级范围下,都能够持续提供接近1的功率因数。它集成了可编程过压保护、欠压保护、精确及可编程的导通时间限制和过流限制等保护功能,非常适合用作强固PFC段中的驱动器。 在适合75至120W功率范围应用的PWM控制器方面,可以选用安森美半导体的NCP1230、NCP1381、NCP1382、NCP1651和即将推出的NCP1652等。实际上,传统有源PFC拓扑结构中,通常采用开关型升压电路,开关频率在几十至几百kHz之间,相应的开关损耗不可小视。NCP1230固定频率电流型PWM控制器和NCP1381谐振振电流模式PWM控制器具有在待机状态下关闭PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一 个专用的引脚用来连接PFC控制器的VCC引脚。当芯片检测到系统进入待机时,会自动切断PFC的VCC供电,这等于省去一个损耗环节,可以实现超低待机能耗。 而在120至250W功率范围,可以采用NCP1651/NCP1652这样的单段式集成型PFC控制器。而在这个功率范围的PWM控制器方面,安森美半导体也提供了众多适用的解决方案,如NCP1337、NCP1381、NCP1382、NCP1396和即将推出的NCP1392和NCP1901等产品。 [!empirenews.page]对于输入功率大于75W的电源适配器应用而言,同样可以选用TL431和NCP4300这样的分流稳压器,以及所有H系列和L系列的肖特基二极管和MOSFET、TO220AB和TO220FP等可控硅整流器与NCP4302同步整流驱动器。 在这个功率等级,为了帮助客户加快设计,安森美半导体还推出了GreenPointTM 200W游戏机适配器参考设计。这参考设计采用NCP1562开关电源控制器、NCP1014待机稳压器以及TL431分流稳压器等重要元器件,符合“能源之星”针对游戏机电源适配器的要求,待机能耗低于1W,在满载时能效高于88%;值得一提的是,这参考设计还可进行修改,针对需要PFC的市场将PFC功能增添进去。

3) 单段PFC解决方案 如前所述,与PFC+PWM两段式架构相比,单段PFC是一种较为新颖的架构,使用的元器件数量更少,为两段式架构提供了良好的替代选择,而且这种架构在较高输出电压(大于15V)和中等功率(75至150W)下工作得更好。 针对这个应用空间,安森美半导体提供了NCP1651这样的集成控制器,并即将推出升级版的NCP1652。安森美半导体还推出了基于NCP1651的GreenPointTM 90W笔记本适配器参考设计,该参考设计能够降低解决方案成本超过15%,只使用1个磁性元件(电感)、1个控制IC、1个高压开关器件(高压MOSFET)及1个整流器,相比较PFC+PWM两段式架构,减少了元器件使用数量,具有更高的电源能效和功率密度,还符合OEM对适配器外壳温度上升和泄漏电流的要求。 此外,从某独立设计公司基于NCP1651设计的90W单段式适配器与某厂商的两段式90W适配器的能效测试结果对比(如表2)可以看出,基于NCP1651的方案拥有更佳的工作能耗和更低的空载能耗。

表2:基于NCP1651的单段90W适配器与竞争产品的能效测试结果对比。

总结 本文探讨及分析了通用电源适配器市场的趋势,如工作能效和待机能耗要求越来越高、某些OEM拥有独特能效要求、某些规范的局部要求放松使得单段PFC方案获得更大发展动力以及电源适配器的功率需求越来越高和体积要求越来越小等。还相应地分析了电源适配器所面临的挑战,并结合不同功率等级的应用,探讨了其应用的要求以及可以采用的安森美半导体解决方案。作为全球领先的高能效电源解决方案供应商,安森美半导体不仅提供针对电源适配器应用的一系列PFC控制器、PWM控制器、分流稳压器、功率MOSFET和整流器,还提供高能效、低能耗的GreenPointTM参考设计,用于笔记本、游戏机、LCD显示器和游戏机等一系列应用,帮助客户缩短开发时间,加快产品上市进程。

(供稿:安森美半导体)


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