中心議題：

• 反激式轉換器的創新設計方法
• TOPSwitch-HX控製器具體應用

解決方案：

• 使用TOPSwitch-HX控製器對電能轉換多模式控製
• 以132kHz頻率進行開關降低損耗
• 調整MOSFET導通時間來控製輸出電壓

對(dui)於(yu)力(li)求(qiu)新(xin)穎(ying)別(bie)致(zhi)的(de)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)而(er)言(yan)，它(ta)應(ying)該(gai)外(wai)形(xing)纖(xian)薄(bo)，且(qie)越(yue)薄(bo)越(yue)好(hao)，當(dang)然(ran)，它(ta)的(de)電(dian)源(yuan)也(ye)應(ying)如(ru)此(ci)。但(dan)要(yao)以(yi)合(he)理(li)的(de)成(cheng)本(ben)設(she)計(ji)出(chu)能(neng)夠(gou)裝(zhuang)入(ru)厚(hou)度(du)不(bu)足(zu)15毫(hao)米(mi)的(de)機(ji)殼(ke)中(zhong)的(de)電(dian)源(yuan)非(fei)常(chang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。盡(jin)管(guan)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)源(yuan)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)所(suo)有(you)標(biao)準(zhun)規(gui)範(fan)，但(dan)在(zai)超(chao)薄(bo)型(xing)適(shi)配(pei)器(qi)中(zhong)並(bing)沒(mei)有(you)為(wei)體(ti)積(ji)較(jiao)大(da)的(de)散(san)熱(re)片(pian)或(huo)散(san)熱(re)器(qi)預(yu)留(liu)空(kong)間(jian)。因(yin)此(ci)，為(wei)減(jian)少(shao)熱(re)量(liang)產(chan)生(sheng)
，電(dian)源(yuan)應(ying)具(ju)有(you)極(ji)高(gao)效(xiao)率(lv)，且(qie)必(bi)須(xu)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)的(de)散(san)熱(re)設(she)計(ji)。

本ben文wen介jie紹shao反fan激ji式shi轉zhuan換huan器qi的de一yi種zhong創chuang新xin設she計ji方fang法fa，它ta通tong過guo先xian進jin的de控kong製zhi技ji術shu來lai提ti升sheng所suo有you功gong率lv水shui平ping的de效xiao率lv
，並bing實shi現xian超chao低di空kong載zai功gong耗hao。這zhe種zhong設she計ji方fang法fa可ke使shi製zhi造zao商shang以yi與yu標biao準zhun“磚塊式”筆記本適配器相當的成本生產出超薄筆記本適配器，同時這些超薄筆記本適配器的性能還超出了能源之星EPSv2.0的功率效率要求和其它全球性能效標準。
                              
                                                         圖1：典型的反激式轉換器電路簡圖
TOPSwitch-HX在單個IC封裝中集成了一個700VMOSFET
、MOSFET柵極驅動和一個用戶可選擇限流點的PWM控製器。在使能狀態下，控製器的振蕩器在每個時鍾周期開始時導通功率MOSFET。當電流達到限流點或達到反饋信號設置的占空比(PWM控製)時，MOSFET才會關斷。PWM控製器關斷MOSFET後hou，變bian壓ya器qi繞rao組zu間jian的de電dian壓ya開kai始shi反fan向xiang
，輸shu出chu二er極ji管guan被bei正zheng向xiang偏pian置zhi

，電dian流liu開kai始shi流liu入ru次ci級ji繞rao組zu，從cong而er補bu充chong輸shu出chu電dian容rong中zhong的de電dian荷he並bing將jiang電dian流liu供gong應ying給gei負fu載zai。

PWMkongzhizaigaogonglvxiaketigongjiaogaodexiaolv，dandanggonglvxiajiangdaozhongdishuipingshi，xiaolvjianghuisuizhijiangdi。womenkeyitongguofenxikaiguandianyuanzhongsunhaochanshengdeyuanyinlaitanjiuqizhongdeyuanyou。dianyuanzhongyouliangzhongjibensunhao：電流流動產生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負載產生的開關損耗。

阻性損耗是電流均方根(RMS電流)dehanshu，yinci，danggonglvshuipingjiaogaoshi

，zuxingsunhaojiuxiangdangda。kaiguansunhaoyukaiguanpinlvchengbili。yinciyibanqingkuangxia，danggonglvjiaodishi

，jianghuichuxiankaiguansunhao(隨頻率變化而變化)

，從而嚴重限製電源的效率。

通過將開關頻率保持在較低水平，可以降低開關損耗
，從而提高中低功率下的效率。不過，通過提高頻率可以減小某些元件(如變壓器、輸出電容和後級LC濾波器等)的尺寸

，這一點對於設計薄型筆記本適配器很有利。

集成在TOPSwitch-HX器件中的700VMOSFET采用特殊製造技術，能以132kHz頻率進行開關，其總體損耗比以更低頻率工作的其它同類MOSFET產品低得多。利用132kHz的開關能力，PI研發出一種名為SlimCore的薄型變壓器架構，這樣就可以在薄型筆記本適配器應用中采用低成本的線繞變壓器。

為克服PWM控製常見的效率限製問題
，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎，以優化所有功率水平下的開關頻率和均方根(RMS)電流(圖2)。[page]
                             
                                                     圖2：TOPSwitch多模式控製
在高負載條件下，TOPSwitch-HX控製器工作於全頻PWM模(mo)式(shi)，此(ci)時(shi)用(yong)戶(hu)既(ji)可(ke)使(shi)用(yong)尺(chi)寸(cun)較(jiao)小(xiao)的(de)元(yuan)件(jian)，又(you)可(ke)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)。隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)的(de)降(jiang)低(di)，控(kong)製(zhi)器(qi)也(ye)降(jiang)低(di)頻(pin)率(lv)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。它(ta)先(xian)切(qie)換(huan)到(dao)變(bian)頻(pin)模(mo)式(shi)，然(ran)後(hou)切(qie)換(huan)到(dao)頻(pin)率(lv)較(jiao)低(di)的(de)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)PWM模式。當負載極輕時
，控製方式從PWM控製模式開始切換，並采用多周期調製控製算法。TOPSwitch-HX能根據經由光耦器饋入到控製引腳的反饋電流(圖1)，自動在各控製模式間切換。

在高負載條件下
，全頻PWM模式可實現高效率開關。開關頻率選定為132kHz，這樣能減小變壓器尺寸，同時能使開關頻率保持在150kHz步降開關以下，從而符合傳導EMI標準。占空比與反饋到控製引腳的控製電流呈線性函數關係並隨之減小。

隨著輸出負載的降低
，TOPSwitch-HX控製將切換至變頻模式(VFM)。在此模式下
，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時開關頻率會從132kHz的初始全頻(或66kHz
，取決於用戶的選擇)下降到30kHz。占(zhan)空(kong)比(bi)隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)的(de)降(jiang)低(di)而(er)減(jian)小(xiao)，這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)通(tong)過(guo)延(yan)長(chang)開(kai)關(guan)脈(mai)衝(chong)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)斷(duan)時(shi)間(jian)來(lai)完(wan)成(cheng)。開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)降(jiang)低(di)導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)下(xia)降(jiang)
，並(bing)可(ke)在(zai)負(fu)載(zai)降(jiang)低(di)時(shi)維(wei)持(chi)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)恒(heng)定(ding)不(bu)變(bian)。

隨著電源負載進一步降低和開關頻率達到30kHz，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式。在此模式下，通過調整MOSFET導通時間，可使開關頻率保持在音頻波段以上並維持輸出穩壓。開關頻率保持恒定不變且占空比減小
，工作方式與全頻PWM模式相同，都通過縮短MOSFET導通時間來實現。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值
，即設定流限值的25%，這樣可以在低功率時保持高效率

，避免音頻噪聲問題。

TOPSwitch-HX進入其最後的工作模式
，即多周期調製模式
，以支持超低負載要求。當峰值漏極電流降到設定流限值的25%時
，控製器便會切換到多周期調製模式。在此模式下
，每當根據回路要求傳導能量時，功率MOSFET將以30kHz的開關頻率開關，且至少持續135μs。這將產生一組至少四到五個的開關脈衝，這些脈衝的峰值初級電流固定為設定流限值的25%，且不受控製環路的影響。

135μs的強製性最小開關時間過後
，控製器將以逐周期的方式對來自環路的反饋信號作出反應。隨後MOSFET關(guan)斷(duan)，直(zhi)至(zhi)控(kong)製(zhi)引(yin)腳(jiao)電(dian)流(liu)降(jiang)到(dao)預(yu)設(she)值(zhi)以(yi)下(xia)。這(zhe)種(zhong)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)可(ke)使(shi)與(yu)峰(feng)值(zhi)漏(lou)極(ji)電(dian)流(liu)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)磁(ci)通(tong)密(mi)度(du)減(jian)小(xiao)，繼(ji)而(er)將(jiang)變(bian)壓(ya)器(qi)發(fa)出(chu)的(de)音(yin)頻(pin)噪(zao)音(yin)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)6kHz到15kHz之間的開關頻率。常采用的反激式轉換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介於此頻率範圍內。
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duozhouqitiaozhigongnengkeyouxiaodijiangmeigepingjunkaiguanpinlvkongzhizaisuoxudeyinpinfanweinei，baochishuchuwenya
，tongshibimianchuxianqianmiantidaodecixinzixiezhenpinlv。yinci，yugengweichuantongdetufagongzuomoshibutongdeshi，duozhouqitiaozhinengquebaoyinpinzaoyindedaoyouxiaoyizhi

，tongshihaiketigaogongzuoxiaolv。

上(shang)述(shu)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi)為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)提(ti)供(gong)了(le)內(nei)置(zhi)的(de)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)。該(gai)方(fang)法(fa)可(ke)在(zai)整(zheng)個(ge)功(gong)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)
，但(dan)對(dui)設(she)計(ji)師(shi)而(er)言(yan)，仍(reng)還(hai)有(you)許(xu)多(duo)工(gong)作(zuo)要(yao)做(zuo)。電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)必(bi)須(xu)要(yao)安(an)全(quan)地(di)解(jie)決(jue)所(suo)有(you)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)和(he)最(zui)差(cha)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)元(yuan)件(jian)容(rong)差(cha)問(wen)題(ti)。在(zai)以(yi)非(fei)連(lian)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)(DCM)工作的反激式轉換器中
，輸出到負載的功率與開關頻率、變壓器初級電感量以及峰值電流平方均成比例。

因(yin)此(ci)，這(zhe)三(san)個(ge)參(can)數(shu)的(de)微(wei)小(xiao)變(bian)化(hua)便(bian)可(ke)導(dao)致(zhi)過(guo)載(zai)電(dian)流(liu)遠(yuan)遠(yuan)超(chao)出(chu)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)額(e)定(ding)輸(shu)出(chu)值(zhi)。為(wei)構(gou)建(jian)能(neng)經(jing)受(shou)此(ci)類(lei)故(gu)障(zhang)的(de)電(dian)源(yuan)，就(jiu)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)較(jiao)大(da)的(de)元(yuan)件(jian)，但(dan)這(zhe)卻(que)會(hui)給(gei)薄(bo)型(xing)筆(bi)記(ji)本(ben)適(shi)配(pei)器(qi)設(she)計(ji)帶(dai)來(lai)空(kong)間(jian)和(he)散(san)熱(re)兩(liang)大(da)難(nan)題(ti)。

TOPSwitch-HX已解決了上述難題。TOPSwitch-HX引yin入ru額e外wai的de電dian路lu，並bing在zai最zui終zhong測ce試shi中zhong采cai用yong參can數shu調tiao整zheng技ji術shu
，以yi控kong製zhi開kai關guan頻pin率lv與yu流liu限xian值zhi平ping方fang的de乘cheng積ji的de最zui大da值zhi和he最zui小xiao值zhi，這zhe在zai數shu據ju手shou冊ce中zhong用yong一yi個ge新xin的de參can數shu來lai表biao征zheng，即ji功gong率lv因yin數shu(I2f)。

在圖3中，對TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch-GX(無I2f調整)的工作區域進行了比較。去除特性曲線的左下方區域(I2f=0.81)
，TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過變壓器傳導的最小能量。這樣，使用一個初級繞組電感低於先前要求的大約9%的變壓器，即足以在最差情況下提供指定的輸出電流。

去除右上方區域(I2f=1.21)可降低最大過載功率
，同樣，使用一個初級繞組電感低於先前要求的大約9%的變壓器也可以實現這一點，從而降低電路中許多元件的最大功率要求。在TOPSwitch-HX中引入I2f調(tiao)整(zheng)技(ji)術(shu)
，是(shi)設(she)計(ji)薄(bo)型(xing)筆(bi)記(ji)本(ben)適(shi)配(pei)器(qi)的(de)關(guan)鍵(jian)促(cu)成(cheng)因(yin)素(su)。該(gai)技(ji)術(shu)可(ke)在(zai)給(gei)定(ding)設(she)計(ji)中(zhong)使(shi)給(gei)定(ding)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)磁(ci)芯(xin)尺(chi)寸(cun)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)，使(shi)過(guo)載(zai)功(gong)率(lv)與(yu)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)的(de)比(bi)率(lv)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)
，並(bing)使(shi)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)更(geng)小(xiao)。
                         
                                                              圖3：功率因數的影響
集成多模式控製及I2f調整功能的TOPSwitch-HX器件
，13.5mm的淨空高度可容納整個電源，而製造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當。該設計的平均功率效率大於87%，超出了能源之星EPSv2.0的要求。當采用交流230V輸入時，電路空載功耗可降到300mW以下

，遠遠低於能源之星所允許的500mW空載功耗。

綜上所述，采用TOPSwitch-HX的(de)超(chao)薄(bo)型(xing)筆(bi)記(ji)本(ben)適(shi)配(pei)器(qi)不(bu)再(zai)昂(ang)貴(gui)。所(suo)有(you)筆(bi)記(ji)本(ben)適(shi)配(pei)器(qi)都(dou)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)和(he)製(zhi)造(zao)
，既(ji)節(jie)省(sheng)材(cai)料(liao)又(you)節(jie)約(yue)能(neng)耗(hao)。超(chao)薄(bo)型(xing)筆(bi)記(ji)本(ben)適(shi)配(pei)器(qi)可(ke)節(jie)省(sheng)功(gong)率(lv)和(he)成(cheng)本(ben)。