- 探析筆記本電腦電源適配器要求
- NCP1250/1 關(guān)鍵特性及功能解析
- 采用NCP1250設(shè)計(jì)65W適配器示例
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筆記本電腦的應(yīng)用非常廣泛，且市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)快速增長(zhǎng)。相應(yīng)地，筆記本電腦電源適配器的市場(chǎng)也非?？捎^。用戶往往要求高性能、小尺寸或低重量的筆記本，同時(shí)價(jià)格適宜。對(duì)于電源適配器設(shè)計(jì)人員而言，就要選擇適合的控制器，用于開(kāi)發(fā)高能效、集成豐富保護(hù)特性、尺寸小巧的適配器。
安森美半導(dǎo)體的 NCP1250/NCP1251 固定頻率 6 引腳脈寬調(diào)制(PWM)反激控制器，極佳地滿足設(shè)計(jì)人員的需求，使他們能夠開(kāi)發(fā)高性能、高功率密度的電源轉(zhuǎn)換器，用于筆記本/上網(wǎng)本電源適配器，并可用于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品應(yīng)用，如平板電視輔助電源、DVD 或機(jī)頂盒(STB)低功率開(kāi)放式電源等。
一、筆記本電腦電源適配器要求
從大多數(shù)用戶的使用情況來(lái)看，筆記本電腦有相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)會(huì)處在輕載或待機(jī)條件下。與提高 25%、50%、75%或 100%負(fù)載條件下的能效相比，降低極低負(fù)載條件甚至是待機(jī)條件下的能耗及提升能效更具挑戰(zhàn)性。這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機(jī)能耗性能。
此外，用于筆記本的 AC-DC 適配器也要求具備以下幾種保護(hù)特性：
???短路保護(hù)(SCP)：必須能夠承受輸出持續(xù)短路而不會(huì)損壞。當(dāng)故障消失時(shí)，適配器必須能夠從保護(hù)模式下恢復(fù)，并重新提供額定功率。
???過(guò)壓保護(hù)(OVP)：在環(huán)路被破壞的情況下，如 光耦合器損壞或 TL431 分壓網(wǎng)絡(luò)受到影響，適配器必須立即停止工作，并在用戶重新啟動(dòng)適配器前保持在此狀態(tài)。
???過(guò)溫保護(hù)(OTP)：如果適配器的溫度超過(guò)某個(gè)溫度值，適配器就存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免出現(xiàn)這種情況，就需要使用熱傳感器來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)溫度，并在溫度超過(guò)設(shè)計(jì)人員設(shè)定的限制值的情況下，適配器就持續(xù)關(guān)閉。當(dāng)用戶重新啟動(dòng)電源且溫度下降時(shí)，適配器復(fù)位。
???過(guò)功率保護(hù)(OPP)：對(duì)某些電源而言，重要的是在最壞條件下——如負(fù)載消耗的電流過(guò)大，最大輸出電流保持在受控狀態(tài)，而不會(huì)實(shí)際出現(xiàn)短路。
二、NCP1250/1 關(guān)鍵特性及功能解析
NCP1250/1 是采用極小的 6 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(yōu)勢(shì)。在最簡(jiǎn)單的應(yīng)用(5 個(gè)功能引腳)中，NCP1250/1 非常合適于設(shè)計(jì)緊湊、保護(hù)功能減至最少的離線電源。由于還有第 6 個(gè)多功能引腳可用(見(jiàn)圖 1)，還能用于更高水準(zhǔn)應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)筆記本或上網(wǎng)本的 AC-DC 適配器。而諸如非耗散性過(guò)功率保護(hù)等獨(dú)特功能，使NCP1250/1 成為高性能、高密度應(yīng)用的極佳選擇。
圖 1：NCP1250 典型應(yīng)用示例。
NCP1250/1 采用峰值電流模式控制工作，在轉(zhuǎn)換器提供額定功率時(shí)以固定頻率(65 kHz 或 100 7kHz)開(kāi)關(guān)。NCP1250/1 具有頻率反走功能，當(dāng)功率下降至額定值的約 20%時(shí)，頻率通常就呈線性下降至 26 kHz，這時(shí)負(fù)載變得更輕。當(dāng)頻率下降完成時(shí)，器件就進(jìn)入跳周期模式。這個(gè)功能使電源適配器在完整負(fù)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(fù)載較低時(shí)能效性能的設(shè)計(jì)人員的需求。值得一提的是，NCP1250/1 即使在頻率反走模式下工作時(shí)，仍然保持低頻率抖動(dòng)，從而幫助自然地弱化電磁干擾(EMI)信號(hào)，即使是在轉(zhuǎn)換器并未提供滿額輸出功率時(shí)。
NCP1250/1 提供幾乎所有必要的保護(hù)功能，極佳地滿足上述 AC-DC 適配器要求。NCP1250 與NCP1251 的唯一區(qū)別是 NCP1251 在 Vcc 引腳上提供集成 OVP 功能，而 NCP1250 并不在 Vcc引腳上提供 OVP 功能。下面我們將具體討論 NCP1250/1 的各項(xiàng)保護(hù)功能及其應(yīng)用。
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1) 短路保護(hù)
NCP1250/1 通過(guò)監(jiān)測(cè)引腳 4 上的電流感測(cè)信號(hào)來(lái)確保提供短路保護(hù)。如果監(jiān)測(cè)到的最大峰值電流超過(guò)最大內(nèi)部電流設(shè)定點(diǎn)(0.8 V/Rsense)時(shí)，內(nèi)置的 100 ms 定時(shí)器就啟動(dòng)。如果電流感測(cè)信號(hào)下降到最大內(nèi)部電流設(shè)定點(diǎn)以下，定時(shí)器就復(fù)位。如果定時(shí)器的 100 ms 計(jì)時(shí)周期完成，表示故障已存在超過(guò) 100 ms，所有驅(qū)動(dòng)脈沖立即停止，控制器的電流消耗降至約 1 mA。值得一提的是，NCP1250 和 NCP1251 均包含 A 版本和 B 版本，其中 A 為自動(dòng)恢復(fù)版本，即 100 ms 后自動(dòng)恢復(fù)，而 B 為完全閂鎖版本。
2) 過(guò)功率保護(hù)
在應(yīng)用過(guò)功率保護(hù)方面，傳統(tǒng)技術(shù)屬于耗散型 OPP，因?yàn)樵诖龣C(jī)時(shí) OPP 電路仍然工作，使適配器的輕載及待機(jī)能效性能受到影響。NCP1250/1 使用獨(dú)特的非耗散型 OPP 方案，僅要求使用 2 顆電阻，對(duì)輕載能效性能沒(méi)有影響。
圖 2：NCP1250/1 應(yīng)用非耗散型 OPP，對(duì)輕載性能沒(méi)有影響。
3) 過(guò)壓保護(hù)
如圖 1 所示，電路中的光耦合器斷路或 TL431 分壓器網(wǎng)絡(luò)遭受?chē)?yán)重漂移影響(或其某個(gè)電阻丟失或出現(xiàn)錯(cuò)誤值)時(shí)，輸出電壓就可能超出規(guī)定的限制值，這就是過(guò)壓條件。大多數(shù)情況下，過(guò)壓條件可能對(duì)下行負(fù)載有害，適配器這時(shí)必須完全關(guān)斷。NCP1250/1 在 OPP 引腳上也集成了 3 V 參考比較器，這比較器可用于多種功能，如 OVP。如果這 OPP 引腳電壓連續(xù)四次超過(guò) 3 V，就使控制器 IC 閂鎖保護(hù)。
此外，如上所述，NCP1251 不同于 NCP1250 的是在Vcc 引腳上還提供集成 OVP 功能，一旦 Vcc 超過(guò) 25.5V 就閂鎖，使控制器受到保護(hù)。
4) 過(guò)溫保護(hù)
在眾多設(shè)計(jì)中，必須保護(hù)適配器免受熱失控(如適配器殼體內(nèi)溫度超過(guò)特定值)影響。我們可以通過(guò)跟齊納二極管(D10)串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻(R14)來(lái)應(yīng)用簡(jiǎn)單的 OTP(如圖 3 所示)。當(dāng)溫度升高時(shí)，NTC電阻開(kāi)始下降，并升高引腳 3 的電壓。當(dāng)引腳 3 的電壓電平達(dá)到 3 V 時(shí)，器件就簡(jiǎn)單地閂鎖，并要求復(fù)位，然后重啟。
圖 3：利用 OPP 網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單地應(yīng)用 OTP。
三、采用NCP1250設(shè)計(jì)65W適配器示例
安森美半導(dǎo)體基于 NCP1250 控制器設(shè)計(jì)了 19 V/65 W 演示電路板。此設(shè)計(jì)中額定輸出電流為3.2 A，并提供過(guò)功率保護(hù)(3.8 A@100 Vac，4.1 A@265 Vac)、過(guò)溫保護(hù)及 Vcc 引腳上過(guò)壓保護(hù)，參見(jiàn)圖 4 (a)及(b)。
圖 4(a)：基于 NCP1250 的 19 V/65 W 適配器電路圖
圖 4(b)：基于 NCP1250 的 65 W 電源適配器演示電路板
有關(guān)此 65 W 演示電路板的具體設(shè)計(jì)，包括元件選擇及相關(guān)計(jì)算，參見(jiàn)參考資料 2。除了此65 W 演示板，安森美半導(dǎo)體還提供 12 V/3.3 A 輸出的 40 W 演示板，同樣提供過(guò)功率保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)及 VCC引腳上過(guò)壓保護(hù)功能。
四、能效測(cè)試結(jié)果
65W演示電路板(含1.2m長(zhǎng)線纜)在25%、50%、75%及100%等常見(jiàn)負(fù)載條件下均呈現(xiàn)出較高的能效(見(jiàn)表1)，如在230Vrms條件下的平均能效高達(dá)88.67%。此外，這演示電路板在空載時(shí)的能效性能也極佳，僅消耗 40 mW 的功率。而由于頻率反走技術(shù)及跳周期模式的使用，輕載能效也極佳，如在230 Vrms條件下，輸出 0.5W、0.6W及0.7W功率時(shí)的輸入功率分別僅為0.74W、0.86W和0.98 W。
表 1：基于 NCP1250 的 65 W 演電源適配器演示板能效測(cè)試結(jié)果。
40 W 演示電路板在115 Vrms和230 Vrms條件下測(cè)得的平均能效分別為87.8%和87.2%(針對(duì)的是負(fù)載施加在電路板連接器的情況)，100 Vrms和230 Vrms條件空載輸入功率分別為33 mW和75 mW，同樣提供高能效和低能耗。
五、小結(jié)：
NCP1250/1 集成了應(yīng)用高密度電源適配器所需的關(guān)鍵特性，如非耗散型過(guò)功率保護(hù)、能夠應(yīng)用過(guò)溫保護(hù)、小封裝(TSOP6)及 Vcc 引腳過(guò)壓保護(hù)(OVP)(僅 NCP1251)等。NCP1250/1 在提供高工作能效的同時(shí)，通過(guò)采用頻率反走技術(shù)及跳周期模式，在輕載或待機(jī)模式下的能耗極低，從而能夠在完整負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。此外，NCP1250/1 采用頻率抖動(dòng)技術(shù)，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?；?NCP1250 的 65 W 適配器演示電路板測(cè)試證實(shí)明了這器件在完整負(fù)載范圍下的高能效性能?？蛻衾?NCP1250/1 控制器可以開(kāi)發(fā)出用于筆記本電腦或上網(wǎng)本的高性能適配器，也可用于開(kāi)發(fā)高能效的平板電視輔助電源或低功率的機(jī)頂盒、DVD 開(kāi)放式電源。
