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筆記本AC電源適配器設計

2022-06-13   來源: 嵌入式開發 

  筆記本電腦的應用非常廣泛且市場規模持續快速增長相應地筆記本電腦電源適配器的市場也非常可觀用戶往往要求高性能小尺寸或低重量的筆記本同時價格適宜對於電源適配器設計人員而言就要選擇適合的控制器用於開發高能效集成豐富保護特性尺寸小巧的適配器
   
    有利的是安森美半導體推出了新的NCP/NCP固定頻率引腳脈寬調制(PWM)反激控制器極佳地滿足設計人員的需求使他們能夠開發高性能高功率密度的電源轉換器用於筆記本/上網本電源適配器並可用於DVD或機頂盒(STB)的低功率開放式電源等應用
   
    筆記本電腦電源適配器要求
   
    從大多數用戶的使用情況來看筆記本電腦有相當的時間內會處在輕載或待機條件下與提高%%%或%負載條件下的能效相比降低極低負載條件甚至是待機條件下的能耗及提升能效更具挑戰性這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機能耗性能
   
    此外用於筆記本的ACDC適配器也要求具備以下幾種保護特性
   
    短路保護(SCP)必須能夠承受輸出持續短路而不會損壞當故障消失時適配器必須     能夠從保護模式下恢復並重新提供額定功率
   
    過壓保護(OVP)在環路被破壞的情況下如光耦合器損壞或TL分壓網絡受到影    響適配器必須立即停止工作並在用戶重新啟動適配器前保持在此狀態
   
    過溫保護(OTP)如果適配器的溫度超過某個溫度值適配器就存在損壞的風險為了避免出現這種情況就需要使用熱傳感器來持續監測溫度並在溫度超過設計人員設定的限制值的情況下適配器就持續關閉當用戶重新啟動電源且溫度下降時適配器復位
   
    過功率保護(OPP)對某些電源而言重要的是在最壞條件下如負載消耗的電流過大最大輸出電流保持在受控狀態而不會實際出現短路
   
    NCP/關鍵特性及功能解析
   
    NCP/是采用極小的引腳TSOP封裝的固定頻率PWM控制器除了尺寸極小還提供即便是其它更高端控制器可能都不具備的眾多優勢在最簡單的應用(個功能引腳)中NCP/非常合適於設計緊湊保護功能減至最少的離線電源由於還有第個多功能引腳可用(見圖還能用於更高水准應用驅動筆記本或上網本的ACDC適配器而諸如非耗散性過功率保護等獨特功能使NCP/成為高性能高密度應用的極佳選擇
 

NCP典型應用示例
 
    NCP/采用峰值電流模式控制工作在轉換器提供額定功率時以固定頻率( kHz或 kHz)開關NCP/具有頻率反走功能當功率下降至額定值的約%時頻率通常就呈線性下降至 kHz這時負載變得更輕當頻率下降完成時器件就進入跳周期模式這個功能使電源適配器在完整負載范圍下都能提供高能效滿足注重能效性能特別是輸出負載較低時能效性能的設計人員的需求值得一提的是NCP/即使在頻率反走模式下工作時仍然保持低頻率抖動從而幫助自然地弱化電磁干擾(EMI)信號即使是在轉換器並未提供滿額輸出功率時


   
    NCP/提供幾乎所有必要的保護功能極佳地滿足上述ACDC適配器要求NCP與NCP的唯一區別是NCP在Vcc引腳上提供集成OVP功能而NCP並不在Vcc引腳上提供OVP功能下面我們將具體討論NCP/的各項保護功能及其應用
   
    )    短路保護
   
    NCP/通過監測引腳上的電流感測信號來確保提供短路保護如果監測到的最大峰值電流超過最大內部電流設定點( V/Rsense)時內置的 ms定時器就啟動如果電流感測信號下降到最大內部電流設定點以下定時器就復位如果定時器的 ms計時周期完成表示故障已存在超過 ms所有驅動脈沖立即停止控制器的電流消耗降至約 mA值得一提的是NCP和NCP均包含A版本和B版本其中A為自動恢復版本 ms後自動恢復而B為完全闩鎖版本
   
    )    過功率保護
   
    在應用過功率保護方面傳統技術屬於耗散型OPP因為在待機時OPP電路仍然工作使適配器的輕載及待機能效性能受到影響NCP/使用獨特的非耗散型OPP方案僅要求使用顆電阻對輕載能效性能沒有影響 

NCP/應用非耗散型OPP對輕載性能沒有影響
 
    )    過壓保護
   
    如圖所示電路中的光耦合器斷路或TL分壓器網絡遭受嚴重漂移影響(或其某個電阻丟失或出現錯誤值)時輸出電壓就可能超出規定的限制值這就是過壓條件大多數情況下過壓條件可能對下行負載有害適配器這時必須完全關斷NCP/在OPP引腳上也集成了 V參考比較器這比較器可用於多種功能如OVP如果這OPP引腳電壓連續四次超過 V就使控制器IC闩鎖保護
   
    此外如上所述NCP不同於NCP的是在Vcc引腳上還提供集成OVP功能一旦Vcc超過 V就闩鎖使控制器受到保護


   
    )    過溫保護
   
    在眾多設計中必須保護適配器免受熱失控(如適配器殼體內溫度超過特定值)影響我們可以通過跟齊納二極管(D)串聯一個負溫度系數(NTC)電阻(R)來應用簡單的OTP(如圖所示)當溫度升高時NTC電阻開始下降並升高引腳的電壓當引腳的電壓電平達到 V時器件就簡單地闩鎖並要求復位然後重啟 
 
 
利用OPP網絡簡單地應用OTP
 
    采用NCP設計 W適配器示例
   
    安森美半導體基於NCP控制器設計了 V/ W演示電路板此設計中額定輸出電流為 A並提供過功率保護( A@ Vac A@ Vac)過溫保護及Vcc引腳上過壓保護參見圖 (a)及(b) 

(a)基於NCP V/ W適配器電路圖
 


(b)基於NCP W電源適配器演示電路板
    有關此 W演示電路板的具體設計包括元件選擇及相關計算參見參考資料除了此 W演示板安森美半導體還提供 V/ A輸出的 W演示板同樣提供過功率保護過溫保護及VCC引腳上過壓保護功能


   
    能效測試結果
   
    W演示電路板(含 m長線纜)在%%%及%等常見負載條件下均呈現出較高的能效(見表如在 Vrms條件下的平均能效高達%此外這演示電路板在空載時的能效性能也極佳僅消耗 mW的功率而由於頻率反走技術及跳周期模式的使用輕載能效也極佳如在 Vrms條件下輸出 W W及 W功率時的輸入功率分別僅為 W W和 W 


基於NCP W演電源適配器演示板能效測試結果
 
    W演示電路板在 Vrms和 Vrms條件下測得的平均能效分別為%和%(針對的是負載施加在電路板連接器的情況) Vrms和 Vrms條件空載輸入功率分別為 mW和 mW同樣提供高能效和低能耗
   
    總結
   
    NCP/集成了應用高密度電源適配器所需的關鍵特性如非耗散型過功率保護能夠應用過溫保護小封裝(TSOP)及Vcc引腳過壓保護(OVP)(僅NCP)等NCP/在提供高工作能效的同時通過采用頻率反走技術及跳周期模式在輕載或待機模式下的能耗極低從而能夠在完整負載范圍內提供高能效此外NCP/采用頻率抖動技術即使是在頻率反走期間也將EMI降至最低從而提供極佳的EMI性能基於NCP W適配器演示電路板測試證實明了這器件在完整負載范圍下的高能效性能客戶利用NCP/控制器可以開發出用於筆記本電腦或上網本的高性能適配器


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