半導體技術的進步締造更智能、更纖薄的電源
2014-02-12 11:01:19 本站原創作者：安森美半導體Tim Kaske
隨著個人計算機(PC)及電視機采用更纖薄優雅的外形因數，電源必須降低厚度，超便攜計算機用的適配器也必須變成緊湊輕巧的旅行伴侶。
為了幫助符合此類目標，準方波諧振(QR)電源提供高開關能效，還幫助降低電磁干擾(EMI)，能簡化電磁的屏蔽或抑制。反激及功率因數校正(PFC)組合型控制器管理電源，令設計人員能夠減少器件數量。此外，通過在低負載/空載條件下關閉PFC，控制器還能提升待機能效。此類器件的路線圖正趨向進一步提升功能集成度，及增強開關性能，用以降低可聽噪聲。
組合型QR/PFC控制器
市場上存在多種包含PFC及準諧振反激反激控制功能、采用單個封裝的組合型器件。高壓集成電路(IC)技術容許采用經過整流的交流線電路來直接啟動。邏輯電路控制反激及PFC開關波形，以及其它功能，如軟啟動，過流、過壓及過溫保護等保護功能，安全重啟，及退磁檢測。
在正常工作期間，PFC通將無功功率(reactive power)降至最低及防止線電壓失真來提升能效。電器在功率高于70 W時強制要求PFC；但功率等級低于70 W時則不要求PFC，其間PFC電路的能耗可能會降低能效。為了節省這些能耗，市場上某些反激/PFC組合控制器能夠在輕載時及關閉模式下關閉PFC電路，并因此提升能效。
安森美半導體的NCP1937組合型PFC及準諧振反激控制器提供一項新穎的功能，令用戶可以根據輸出功率占滿載功率的百分比來設定PFC關閉閾值。內部電路產生跟輸出功率成正比例的電流，此電流使用外部電阻及電容來調節和平均，以產生與輸出功率成正比的電壓。此IC結合使用此電壓及集成的PFC關閉定時器和隨著線電壓變化的參考電壓，以協調PFC的關閉和重新啟用。這就使PFC段能夠在低線電壓下25%至50%負載及高線電壓下50%至75%負載期間關閉。上電期間PFC段也關閉，直至反激軟啟動定時到期。此外，通斷開反饋連接來關閉PFC所需的電路也集成在此器件中。傳統組合型器件要求包含MOSFET電路的外部反饋連接，以根據要求斷開或閉合回路。圖1展示了PFC導通/關閉控制電路。
圖1. PFC導通/關閉控制集成電路。
此功能提供了一個示例，彰顯高壓IC技術領域的進步如何使制造商能夠提供更高集成度的控制器，使電源設計人員能夠省去額外的外部電路，并進一步提升完整負載范圍下的能效。帶有高壓功能的IC提供的數字功能通常有限。如今，更高端的高壓工藝配合更小的數字特征尺寸，容許增加額外的芯片內建功能，使設計人員能夠以比以往盡可能小的外形因子，構建更加智能及更高精度的電源方案。
改進的關鍵細節
安森美半導體的700 V高壓工藝還使此控制器能夠集成用于在AC線電壓移除時對X2輸入濾波電容放電(一項安全機構標準要求的功能)的大多數電路。這就節省PCB空間及用于X2電容放電之外部電阻網絡的能耗。NCP1937控制器包含兩個高壓啟動電路，并且使用了一種新穎的方法來重新配置這些電路，從而在交流線電路移除的情況下對輸入濾波電容放電。
此高端工藝還能集成其它功能，幫助節省幾個外部器件；這些功能包括省電模式(PSM)功能，此功能將供電電流降至低于70 μA。傳統反激控制IC采用的典型方法是使用有源關閉(active-off)集成來啟用低功率模式，此方法要求額外的偏置電流來下拉次級端的光耦，降低了系統總能效。相比較而言，NCP1937包含內置電路，無須此類偏置電流，因而在空載條件下提升系統能效。
增加的數字集成功能及高級的700 V高壓工藝，還支援芯片置建應用更多保護功能所要求的電路，如故障檢測、電流感測及過功率補償，降低了對外部器件的依賴。
更佳用戶體驗
反激轉換器的QR工作目前在膝上型計算機電源適配器及電視中很流行，主要歸功于零電壓開關(ZVS)或谷底開關技術，此技術相較于硬開關技術提升了開關能效，且產生的電磁干擾(EMI)更低。
QR轉換器的開關頻率本質上會根據輸入及輸出負載條件而變化，而且往往會隨著輸出負載下降而增加。在傳統QR轉換器中，自激(free-running)頻率通常鉗位在125 kHz，低于150 kHz的CISPR-22 EMI起點。因此，在輕載條件下，MOSFET無法在一檢測到谷底時就導通，但必須等候8 µs定時到期，因此導致某些谷底被略過。然而，如果輸出功率處于某個等級，以致于逐周期能量均衡所需的關閉時間下降到相鄰兩個谷底之間，兩個或三個周期的第一谷底開關之后可能接續的是一個周期的第二谷底開關。這種現象稱作谷底跳頻，導致開關頻率大幅變化，此變化被峰值電流的大幅變化補償，最終使變壓器出現可聽噪聲。
跳周期或頻率反走工作通常用于在實現頻率鉗位后降低開關頻率。這在提升輕載能效方面很有效，但不會防止谷底跳頻。這種方法的另一項缺點是要求的開關頻率相對較低，通常在30 kHz左右，需要更大的變壓器。
安森美半導體具有專利的谷底鎖定(Valley Lockout)技術省去谷底跳頻，憑借的是將轉換器鎖定在它選擇的谷底，直至檢測到輸出功率明顯變化。就NCP1937而言，此器件通過使用一些比較器來監測反饋接腳上的電壓并將此信息饋送給計數器來實現此功能。每個比較器上的遲滯鎖定工作谷底。此外，以壓控振蕩器(VCO)為基礎的頻率反走電路隨著輸出功率下降而降低開關頻率，進一步提升了輕載能效。
圖2. 安森美半導體的谷底鎖定檢測電路。
此項創新提供更優異的能效及更佳的用戶體驗，還結合了反激/PFC組合控制器恰當工作所必需的更高芯片內置功能集成度，使設計人員能夠符合當今消費及商業電子市場的要求。
總結
持續提升PC及電視等大批量電子產品能效的需求來自多個方向，包括政府及生態設計團體。對于最終用戶而言，更小巧輕薄的產品既要符合這些要求，又要滿足他們對更佳造型設計和更佳移動性的渴求。隨著設備變得更加智能，在多種工作條件及使用模式下將能效提升至最高，如今電源可以透過利用最新的電源半導體創新，不論是看上去還是工作起來均更加智能。
