電源適配器市場的趨勢暨安森美半導(dǎo)體解決方案

電源適配器主要包括兩類，一類是內(nèi)部交流/直流(AC/DC)電源轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置在電子產(chǎn)品內(nèi)部，可能擁有多路輸出電壓，如臺式計(jì)算機(jī)內(nèi)部電源等；另一類是外部單路輸出AC/DC或交流/交流(AC/AC)電源適配器，擁有單路輸出電壓，通常簡稱為外部電源(EPS)，廣泛用于打印機(jī)、筆記本、LCD顯示器和游戲機(jī)等應(yīng)用。

電源適配器的通用市場趨勢

表1：“能源之星”外部電源規(guī)范對比(Ln為額定輸出功率的自然對數(shù))。

   從通用市場來看，電源適配器主要體現(xiàn)出一些重要趨勢。一是工作能效和待機(jī)(空載)能耗要求更高。例如，美國環(huán)保署(EPA)“能源之星”項(xiàng)目于2008年4月發(fā)布了針對外部電源的2.0版規(guī)范，從表1的對比中可以看出2.0版規(guī)范的要求高于1.1版規(guī)范。這針對外部電源的EPA 2.0版規(guī)范將于2008年11月1日開始生效。

    而在臺式計(jì)算機(jī)電源等內(nèi)部電源方面，“能源之星” 的4.0版規(guī)范(EPA 4.0)的第一階段要求自2007年7月20日開始生效。該規(guī)范要求臺式機(jī)在20%、50%和100%負(fù)載條件下的能效最低達(dá)80%。此外，更新的5.0版規(guī)范第一階段要求將于2009年7月1日開始生效，將要求使用內(nèi)部電源的計(jì)算機(jī)在50%負(fù)載條件下工作效率最低達(dá)85%，而在20%和100%負(fù)載條件下最低效率達(dá)到82%。

    除了“能源之星”這類的業(yè)界能效規(guī)范要求，某些大型的OEM客戶可能還會有自己獨(dú)特的工作能效和能耗要求。例如，針對計(jì)算機(jī)電源的EPA 4.0規(guī)范對于使用外部電源的筆記本電腦和平板電腦的要求主要體現(xiàn)在待機(jī)能耗(≤1.0 W)、休眠能耗(≤1.7 W)等方面；相比較而言，戴爾針對這類電源的要求主要體現(xiàn)在不同特定負(fù)載條件下的能效，即在0.7 W(輸入功率P_in < 1 W)、1.5 W (P_in <2 W)、10.7 W (P_in < 12.6 W)和17 W (P_in < 20 W)負(fù)載條件下，能效分別要高于70%、75%、85%和85%。

    值得一提的是，有關(guān)能效規(guī)范未來仍將不斷提高要求和演進(jìn)。以筆記本電腦AC-DC電源適配器為例，目前業(yè)界在空載模式能耗方面的較高水平約在300 mW以上，而未來空載模式下150 mW的能耗可能成為目標(biāo)。而且，有關(guān)多輸出適配器的要求也可能被納入標(biāo)準(zhǔn)之中。

    電源適配器市場的另外一個(gè)重要趨勢，是客戶需要具有更高輸出功率、更小體積的適配器，這就涉及到新拓?fù)浼夹g(shù)的使用。采用安森美半導(dǎo)體的NCP1605 功率因數(shù)校正(PFC)控制器和NCP1396諧振模式控制器可用于設(shè)計(jì)200 W臺式適配器或是300 W適配器。而從筆記本適配器而言，其功率要求已經(jīng)從50 W至70 W范圍上升到超過100 W等級。另外，諸如蘋果MacBook Air和聯(lián)想ThinkPad X300等新型超便攜筆記本的電源適配器也更小更輕。

圖1：單段PFC架構(gòu)的適配器結(jié)構(gòu)示意圖。

    除了這些趨勢，另外一個(gè)值得注意的動向是，在“能源之星”針對外部電源的正式2.0版規(guī)范中對功率因數(shù)(PF)限制的放松。實(shí)際上，根據(jù)已經(jīng)在歐洲和日本實(shí)施的IEC61000-3-2諧波電流減少標(biāo)準(zhǔn)，功率大于75 W的適配器應(yīng)用中需要PFC。目前市場上既有傳統(tǒng)的“功率因數(shù)校正+脈寬調(diào)制”(PFC+PWM)兩段式架構(gòu)，也有將這兩段融合為一段的單段PFC式架構(gòu)。兩段式架構(gòu)能夠在115 Vac和230 Vac條件下都實(shí)現(xiàn)0.9的功率因數(shù)，而且動態(tài)響應(yīng)速度和紋波方面的性能更佳，但這種架構(gòu)是一種資源密集型設(shè)計(jì)，會采用更多的元器件，如控制IC、電感和MOSFET等，而且可能會導(dǎo)致工作模式下能效的下降；相比較而言，另一種單段式PFC架構(gòu)將PWM段和PFC段融合在一起，減少了控制IC、電感和MOSFET的使用，實(shí)現(xiàn)了能效的提升和顯著的成本降低。只不過，單段式PFC架構(gòu)的外部電源在230 Vac測試條件下，功率因數(shù)通常只大于0.8，離0.9的限制還有不少距離，要實(shí)現(xiàn)0.9的功率因數(shù)限制要求，需要對電路進(jìn)行一些修改，但這種修改又會損失幾個(gè)百分點(diǎn)的能效。               

     因此，針對外部電源的“能源之星”正式2.0版規(guī)范中，將功率因數(shù)要求限制在輸入功率大于100 W的外部電源和115 Vac電壓的測試條件，而對230 Vac則不作要求；設(shè)計(jì)用于同時(shí)能夠工作在115 Vac和230 Vac條件下的外部電源在功率因數(shù)方面只需要滿足115 Vac條件下的測試要求。這樣一來，具有更高性價(jià)比、適合電源適配器等應(yīng)用的單段式PFC將贏來更大的發(fā)展動力。

電源適配器面臨的挑戰(zhàn)

綜合以上電源適配器的通用市場趨勢，我們可以得出結(jié)論，電源適配器所面臨的主要挑戰(zhàn)在于：

Ø      降低空載輸入功率；

Ø      提高總體能效；

Ø      特別針對筆記本適配器則言，注意待機(jī)、休眠和空閑等不同模式下的能效；

Ø      改善功率因數(shù)；

下面我們將按照不同功率等級的應(yīng)用，分享安森美半導(dǎo)體的相關(guān)解決方案。

安森美半導(dǎo)體電源適配器解決方案

1)輸入功率小于75 W的適配器應(yīng)用

  圖2：功率小于75 W的電源適配器架構(gòu)

    如上所述，在輸入功率小于75 W時(shí)，外部電源無需PFC，系統(tǒng)主要只是PWM段，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這種情況下，通常采用的是反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適配器既能工作在固定頻率(FF)，也能工作在可變頻率(VF)的控制器(特別是就準(zhǔn)諧振模式而言)。在額定負(fù)載和輕載條件下，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高能效，關(guān)鍵就在于要采用能夠根據(jù)負(fù)載狀況調(diào)整工作模式的智能控制器。

    針對這類應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體推出了一系列的PWM控制器解決方案。其中，就功率介于10 W至50 W范圍的應(yīng)用而言，可以采用NCP1351和NCP1216等器件。其中，NCP1351采用固定導(dǎo)通時(shí)間、可變關(guān)閉時(shí)間電流模式控制技術(shù)，會在負(fù)載變低時(shí)降低開關(guān)頻率，可以提供卓越的空載能耗，并在輕載條件下提供最佳的能效表現(xiàn)；當(dāng)頻率下降時(shí)，峰值電流逐漸下降到最大峰值電流的大約30%，能夠避免變壓器發(fā)生機(jī)械共振，從而大幅消除可聽噪聲，并保持良好的待機(jī)能耗表現(xiàn)。值得一提的是，安森美半導(dǎo)體推出了基于NCP1351的GreenPoint^TM 40 W打印機(jī)電源適配器參考設(shè)計(jì)。這參考設(shè)計(jì)的待機(jī)能耗低于150 mW，而目前常用的40 W打印機(jī)在相似情況下能耗約為450 mW。在額定負(fù)載條件下，該設(shè)計(jì)的能效高達(dá)85%；而其采用的頻率反走技術(shù)，也令其在高于2 W的輕載條件下能效高于80%。除了NCP1351和NCP1216，安森美半導(dǎo)體還將推出NCP1217和NCP1380等新器件。

    而在40 W至70 W的功率應(yīng)用范圍，也可采用NCP1271、NCP1219和NCP1288等固定頻率控制器(其中NCP1219和NCP1288為新產(chǎn)品，即將推出)，還可采用NCP1377、NCP1337和NCP1380等可變頻率控制器。

    除了PWM控制器，功率小于75 W的電源適配器中，還可采用其它的眾多安森美半導(dǎo)體器件。如在電壓反饋環(huán)節(jié)，可以采用TL431、TLV431、NCP100和NCP4300(用于第二代恒流恒壓適配器)等分流穩(wěn)壓器。而在整流器和MOSFET方面，安森美半導(dǎo)體同樣提供眾多適用的器件，其中包括電壓介于45至100 V、電流介于3至10 A的所有H系列和L系列肖特基二極管，以及NCP4302控制器。以NCP4302為例，這是一款集成型同步整流(SR)控制器與驅(qū)動器，集成了在反激轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用同步整流技術(shù)所需的全部控制和保護(hù)功能，支持任何類型的反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 (連續(xù)導(dǎo)電模式、準(zhǔn)諧振模式或不連續(xù)導(dǎo)電模式)，非常適合于適配器、充電器和機(jī)頂盒等空間敏感型應(yīng)用。

2)輸入功率大于75 W的應(yīng)用

圖3：輸入功率大于75 W的PFC+PWM兩段式外部電源架構(gòu)示意圖。

    相反，根據(jù)IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，如果輸入功率大于75 W，則需要增加PFC，即構(gòu)成PFC+PWM的兩段式外部電源架構(gòu)，如圖3所示。在這種功率等級的PFC段中，臨界導(dǎo)電模式(CRM)應(yīng)用得非常廣泛；而在主轉(zhuǎn)換器段，則有反激、正激有源鉗位和諧振LLC等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選用。

    如果我們把大于75 W這個(gè)功率范圍進(jìn)一步細(xì)化，可將其分為75至120 W和120至250 W這兩個(gè)細(xì)分范圍應(yīng)用。其中，就75至120 W功率應(yīng)用而言，可以采用NCP1606這樣的CRM PFC控制器。實(shí)際上，在功率等級低于150 W的應(yīng)用中，CRM是一種非常適合的PFC方案。安森美半導(dǎo)體的NCP1606是一款有源PFC控制器，特別設(shè)計(jì)用于在電子鎮(zhèn)流器、AC-DC電源適配器和其它中等功率離線轉(zhuǎn)換器(通常功率最高可達(dá)300 W)中用作預(yù)轉(zhuǎn)換器。它嵌入了CRM機(jī)制，在多種輸入電壓和功率等級范圍下，都能夠持續(xù)提供接近1的功率因數(shù)。它集成了可編程過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、精確及可編程的導(dǎo)通時(shí)間限制和過流限制等保護(hù)功能，非常適合用作強(qiáng)固PFC段中的驅(qū)動器。

    在適合75至120 W功率范圍應(yīng)用的PWM控制器方面，可以選用安森美半導(dǎo)體的NCP1230、NCP1381、NCP1382、NCP1651和即將推出的NCP1652等。實(shí)際上，傳統(tǒng)有源PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通常采用開關(guān)型升壓電路，開關(guān)頻率在幾十至幾百kHz之間，相應(yīng)的開關(guān)損耗不可小視。NCP1230固定頻率電流型PWM控制器和NCP1381諧振振電流模式PWM控制器具有在待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一 個(gè)專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當(dāng)芯片檢測到系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)時(shí)，會自動切斷PFC 的VCC供電，這等于省去一個(gè)損耗環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)能耗。

    而在120至250 W功率范圍，可以采用NCP1651/NCP1652這樣的單段式集成型PFC控制器。而在這個(gè)功率范圍的PWM控制器方面，安森美半導(dǎo)體也提供了眾多適用的解決方案，如NCP1337、NCP1381、NCP1382、NCP1396和即將推出的NCP1392和NCP1901等產(chǎn)品。

    對于輸入功率大于75 W的電源適配器應(yīng)用而言，同樣可以選用TL431和NCP4300這樣的分流穩(wěn)壓器，以及所有H系列和L系列的肖特基二極管和MOSFET、TO220AB和TO220FP等可控硅整流器與NCP4302同步整流驅(qū)動器。

     在這個(gè)功率等級，為了幫助客戶加快設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體還推出了GreenPoint^TM 200 W游戲機(jī)適配器參考設(shè)計(jì)。這參考設(shè)計(jì)采用NCP1562開關(guān)電源控制器、NCP1014待機(jī)穩(wěn)壓器以及TL431分流穩(wěn)壓器等重要元器件，符合“能源之星”針對游戲機(jī)電源適配器的要求，待機(jī)能耗低于1 W，在滿載時(shí)能效高于88%；值得一提的是，這參考設(shè)計(jì)還可進(jìn)行修改，針對需要PFC的市場將PFC功能增添進(jìn)去。

3)單段PFC解決方案

如前所述，與PFC+PWM兩段式架構(gòu)相比，單段PFC是一種較為新穎的架構(gòu)，使用的元器件數(shù)量更少，為兩段式架構(gòu)提供了良好的替代選擇，而且這種架構(gòu)在較高輸出電壓(大于15 V)和中等功率(75至150 W)下工作得更好。

表2：基于NCP1651的單段90 W適配器與競爭產(chǎn)品的能效測試結(jié)果對比。

    針對這個(gè)應(yīng)用空間，安森美半導(dǎo)體提供了NCP1651這樣的集成控制器，并即將推出升級版的NCP1652。安森美半導(dǎo)體還推出了基于NCP1651的GreenPoint^TM 90 W筆記本適配器參考設(shè)計(jì)，該參考設(shè)計(jì)能夠降低解決方案成本超過15%，只使用1個(gè)磁性元件(電感)、1個(gè)控制IC、1個(gè)高壓開關(guān)器件(高壓MOSFET)及1個(gè)整流器，相比較PFC+PWM兩段式架構(gòu)，減少了元器件使用數(shù)量，具有更高的電源能效和功率密度，還符合OEM對適配器外殼溫度上升和泄漏電流的要求。

    此外，從某獨(dú)立設(shè)計(jì)公司基于NCP1651設(shè)計(jì)的90 W單段式適配器與某廠商的兩段式90 W適配器的能效測試結(jié)果對比(如表2)可以看出，基于NCP1651的方案擁有更佳的工作能耗和更低的空載能耗。

總結(jié)

本文探討及分析了通用電源適配器市場的趨勢，如工作能效和待機(jī)能耗要求越來越高、某些OEM擁有獨(dú)特能效要求、某些規(guī)范的局部要求放松使得單段PFC方案獲得更大發(fā)展動力以及電源適配器的功率需求越來越高和體積要求越來越小等。還相應(yīng)地分析了電源適配器所面臨的挑戰(zhàn)，并結(jié)合不同功率等級的應(yīng)用，探討了其應(yīng)用的要求以及可以采用的安森美半導(dǎo)體解決方案。作為全球領(lǐng)先的高能效電源解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體不僅提供針對電源適配器應(yīng)用的一系列PFC控制器、PWM控制器、分流穩(wěn)壓器、功率MOSFET和整流器，還提供高能效、低能耗的GreenPoint^TM參考設(shè)計(jì)，用于筆記本、游戲機(jī)、LCD顯示器和游戲機(jī)等一系列應(yīng)用，幫助客戶縮短開發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

供稿：安森美半導(dǎo)體