如於2016年1月1日生效的歐盟CoC V5 Tier 2 規定，輸出功率為45 W和65 W的AC-DC適配器平均能效需分別達到87.7%和89%
，待機功耗分別低於75 mW和150 mW
，並且還要求10%負載條件時的能效需分別達到77.7%和77.5%。電源設計工程師麵臨體積
、能效和成本等多方麵的設計挑戰。

 

表1. AC-DC 適配器能效法規一覽

 

開關頻率直接決定開關電源的功率密度
，提高開關頻率可有效地減小無源功率器件如變壓器、輸出電容的尺寸，從而提高功率密度
；gaogonglvmiduyingyongjinmanzunengxiaoguifanyuanyuanbugou，yinweitijijianxiaoshi，sanremianjiyexiangyingjianshao，xutigaonengxiaoyijianshaofare

，jianxiaoduineibuyuanqijianshoumingdeyingxiang
；此外，工程師需將成本控製在合理範圍內
，以在競爭激烈的市場處於有利地位。

 

 

LLC拓tuo撲pu結jie構gou可ke提ti供gong高gao頻pin率lv和he高gao能neng效xiao，但dan其qi成cheng本ben較jiao高gao
，且qie對dui輸shu入ru電dian壓ya範fan圍wei有you嚴yan格ge要yao求qiu

，不bu適shi用yong於yu筆bi記ji本ben電dian腦nao這zhe一yi功gong率lv等deng級ji。采cai用yong準zhun諧xie振zhen反fan激ji式shi拓tuo撲pu加jia上shang同tong步bu整zheng流liu(SR)可輕鬆地設計出滿足體積
、能效、成本等要求的高功率密度適配器，如安森美半導體的高頻準諧振反激式控製器NCP1340/1+SR控製IC NCP4305/80。

 

準諧振模式允許使用相對大的緩衝電容Clump，額外增加的Clump (10-22pF)可以減少MOS管關斷損耗
，減少電磁幹擾(EMI)。準諧振反激有利於次極端加SR，可降低整流二極管導通損耗，減少次極端整流管尖峰電壓，降低其耐壓要求。

 

圖1. 準諧振模式允許使用相對大的緩衝電容Clump

 

 

分析準諧振反激損耗旨在提高工作頻率後再減少功率損耗。準諧振反激電源的損耗主要分布在初級MOSFET、尖峰吸收電路、變壓器和輸出整流。

 

圖2. 準諧振反激電源的損耗分布

 

1．初級MOSFET損耗分析

 

初級MOSFET損耗主要包括導通損耗
、開關損耗和驅動損耗。導通損耗由漏源導通阻抗Rds(on)和初級端均方根電流定義。對於開關損耗，由於MOSFET的結電容與其Vds電壓成非線性比例，所以不能用簡單的電容儲能公式計算，需要將實際的結電容考慮進去，結電容可理解為MOSFET DS 網絡間等效的除了MOSFET內部的結電容外的其它電容。驅動損耗在開關頻率較低時可以不作考慮，但在高頻應用中不能忽略，它在MOSFET導通和關斷時產生
，主要取決於MOSFET總門極電荷Qg、開關頻率和IC工作電壓Vcc，損耗大部分消耗在驅動電阻上。

 

因此
，對於MOSFET的選取，在高頻應用中，Rds (on) x Qg乘積數越低越有利於降低導通損耗和驅動損耗。應選擇體積小、薄且散熱性好的低熱阻封裝。由於氮化镓(GaN) MOSFET具有更優的Rds (on) x Qg參數

，可額外增加約0.3%的滿載效率，而在成本允許的情況下，GaN MOSFET是理想的選擇。

 

2. 尖峰吸收電路損耗分析

 

尖峰吸收電路主要用於鉗製MOS管Vds電壓，防止其過壓擊穿。電阻-電容-二極管(RCD)吸收和瞬態電壓抑製器(TVS)吸收是兩種常用的電路，其中RCD最為常用
，可靠性較高。

 

圖3. 兩種常見的尖峰吸收電路

 

對於RCD電路中，較大的吸收電容C可減少鉗位電壓紋波
，但會增加待機功耗，所以C的選取一般以滿載時5%至10%鉗位電壓紋波為宜。如果吸收電阻R較熱

，可減小變壓器漏電感，選用Trr一致性好的慢管，可降低鉗位電壓
，減少R損耗。

 

鉗位電壓方麵，選擇高的鉗位電壓可降低RCD吸收損耗，但需選高耐壓MOS管，這會導致成本增加

，而且變壓器初級電流衰減速度會變快，次級整流電流上升斜率變陡，不利於EMI和次級同步整流效率優化。選擇低的鉗位電壓
，有利於EMI，次級同步整流控製，但RCD吸收損耗會增加。整流二極管D選用慢管可減少鉗位電壓和改善EMI，但二極管溫升會較高。所以需綜合考慮各方麵影響，權衡擇取。

 

3. 變壓器損耗分析

 

變壓器損耗主要包括磁芯損耗、線圈損耗和高頻附加的磁芯及線圈損耗。對於>300 KHz應用，相比TP4A, 3C90或3F3，3C95/P51磁芯材料具有更低損耗。高頻應用時，臨近效應和趨膚效應導致繞線交流電阻增大

，銅損增加，多股絞線將是非常不錯的選擇。

提高開關頻率，可以減少變壓器初級電感量，從而減少磁芯損耗。采用多股膠合線，減少趨膚效應
，分開初級繞組(三明治繞法)以降低鄰近效應。如安森美半導體的45 W參考設計選用RM7變壓器，采用多股線加三明治繞法
，初級端為24轉25x AWG#38 絞合線，次級端為4轉150x AWG#44 絞合線，采用3C90材料。

 

4. 輸出整流損耗分析

 

輸出整流通常有二極管整流和SR兩種方案。由於SR MOS導通壓降遠低於二極管導通壓降Vd，所以可比傳統的二極管整流實現更高能效。

 

和初級MOSFET一樣
，SR損耗分為開關損耗(低壓時可忽略不計)、驅動損耗(取決於Qg、開關頻率及Vcc)和導通損耗。其中導通損耗包括MOSFET導通時的內阻損耗和體二極管在MOSFET導通前的導通損耗

，體二極管導通損耗和MOSFET導通延時密切相關。安森美半導體的NCP4305/80係列同步整流控製IC具有極短導通延時，可調至30 ns
，同時具有強大的驅動能力，能快速通斷SR MOSFET。如在45 W參考設計中，SR MOSFET選用NVMFS6B03NL，內阻僅4 mΩ，Qg 70.7nC
，若選用GaN SR MOSFET將可獲得額外約0.3%的滿載能效提升。

 

綜上所述，損耗源及影響損耗的因素可歸納為：

 

表2. 損耗源及影響損耗的因素

 

45 W高功率密度適配器參考設計

 

該參考設計采用安森美半導體的NCP1340高頻準諧振反激+NCP43080 SR架構, 在能效和待機功耗方麵彰顯出色性能，提供19 V/2.4 A額定輸出，90-264 V寬輸入電壓

，體積僅50 mm x 33 mm x 22 mm，所需外圍元件數少

，滿載能效超過92%
，待機功耗低於30 mW，完全符合CoC V5 Tier 2能效要求。

 

圖4. 45 W參考設計能效 vs. 負載曲線

 

其中NCP1340/1采用SO-8封裝
，高壓啟動


，集成X2放電和欠壓檢測，運行達6個穀底鎖定開關，可有效地解決因穀底數不穩定所產生的音頻噪聲問題，並通過最小頻率鉗位和Quiet-Skip運行消除噪聲。人類能聽到的頻率範圍是20Hz至20kHz，早期的跳周期控製IC將最低開關頻率設置在25 kHz，但間隙工作頻率通常會在2 kHz至4 kHz範圍，所以一旦其進入跳周期模式
，噪聲還是很大的。Quiet-Skip將最大的間隙工作頻率設置為800 Hz
，雖然800 Hz仍在可聽見的範圍內
，但其往往會與背景噪聲很好的融合，所以不容易被察覺。NCP1340/1采用跳周期模式，電流消耗低，因而可實現低於30 mW的低待機功耗，具有頻率抖動特性
，可提升EMI性能，實測抖頻功能可降低AV曲線低頻段的峰值約5 dB。此外，NCP1341比NCP1340多了功率倍增模式，可提高瞬態帶載能力
，同時保持最小尺寸的變壓器，實現1.5倍或2倍的額定功率輸出，非常適合打印機、驅動電源等需要損失功率倍增的應用場合。

 

 

設she計ji高gao功gong率lv密mi度du的de適shi配pei器qi電dian源yuan不bu但dan要yao滿man足zu更geng輕qing更geng薄bo的de發fa展zhan趨qu勢shi以yi提ti升sheng用yong戶hu體ti驗yan，還hai要yao符fu合he日ri趨qu嚴yan格ge的de能neng效xiao要yao求qiu，這zhe對dui設she計ji人ren員yuan來lai說shuo充chong滿man挑tiao戰zhan。高gao頻pin準zhun諧xie振zhen反fan激ji是shi適shi用yong於yu低di於yu65 W的高功率密度電源適配器的拓撲結構之一。安森美半導體的45 W高功率密度參考設計采用準諧振反激NCP1340/1 + 同步整流NCP4305/80的架構，可輕鬆設計出小巧、低成本的高能效高功率密度適配器，滿載能效超過92%，待機功耗低於30 mW，遠遠超越能效規範。