图3,在PFC电路中实现最佳的CRM和DCM(采用NCP1601)
此外,近年来PFC实施中可用的分立元件也走过一段漫长的道路.PFC MOSFET要求500伏的额定值,而推出低Rds-on和小门极电荷的MOSFET对此有巨大的帮助.CRM或DCM电路中的升压二极管要求不同特性而且制造商已开始推出各种元件,如MUR450PF,来迎合这些需求.
这些改进的最终结果是,增加PFC从成本角度而言对适配器设计不是很大的负担,同时能够在满载,低线路效率时获得约95%的效率和<300 mW的待机能耗.这些性能显然使适配器设计人员能满足OEM的规范要求.
在SMPS 方面,一个重要的趋势是使用谷底开关反激转换器替代传统的定频反激拓扑.该方法效率更高,EMI更低.与CRM升压拓扑面临的问题相似,谷底开关拓扑明显受到频率的变化影响,该频率变化是线路和负载的函数,可产生高EMI和待机功耗.近期控制技术的创新使该产业得以解决这些问题—拓展了谷底开关方案在笔记本适配器上的应用.
传统的谷底开关算法以检测MOSFET漏极电压达到最小点进行工作并在该点导通FET,如图4所示.然而,根据负载和线路条件,该谷底点可迅速达到,因此产生高开关频率和高开关损耗.遗憾的是,此现象发生在低功耗至关重要的轻载时.新型控制器,如NCP1337包含跳过谷底算法来解决这个问题.如图4所示,若谷点的开关频率高于设定的开关频率,MOSFET导通将延迟至下一个可用谷点.
最后,由于特殊的启动,故障模式和待机要求,需要谨慎处理PFC段和SMPS段间的接口(包括相序和信号交换).比如,许多设计人员喜欢在启动,待机和故障模式中关闭 PFC段.采用这种方法就不会有PFC段产生的功耗.然而,它对SMPS段带来额外的负担,因为它必须能够支持整个输出功率而无PFC前端升压输入的帮助.通常反激转换器处理的输入范围更宽,而且由于PFC关闭,输出提供全部功率的持续时段并不长,所以无需保险设计功率段.接口要求可用许多新型控制器中含有的创新解决方案进行简单的处理(图5).此解决方案集成至智能PWM控制器,可识别所有PFC须关闭的模式.PWM控制器有一个为PFC提供偏置电压的输出引脚——按要求关闭PFC控制器和PFC段.这个简单的机制适用于任何PFC控制器,因此不受限制.
图4,跳过谷底技术限制了QR反激转换器中的最高频率.
图5,PWM控制器和PFC控制器间的接口便于适配器在故障,启动和待机模式中工作.
单段替代方案
p; 设计符合PFC要求的笔记本电脑适配器自然要解决如何消除双功率处理段负担的问题.获得高效率和成本高效单段功率转换是设计人员的长期追求.虽然存在许多单段解决方案,但它们仍有一些限制,分别是:1. 输出电压纹波包含低频元件,不采用额外的储能电容不能将其从本质上消减.2. 许多方案尝试使用电流导向在低输出电压纹波和低THD之间取得较佳的取舍.这些折中需要在每种设计中投入额外的精力.3. 特殊的规定,如输出纹波,瞬态响应和保持时间比2-段解决方案更难满足.
图6,90 W适配器原型的图片,可见可节约的空间(鸣谢:Energy Recovery Systems)
若单段解决方案要在笔记本电脑适配器中占有一席之地,那么它需要在OEM,电源设计人员和关键电路元件经销商间进行三方合作,以提供最佳解决方案.OEM需要确定他们是否能对规格作出让步,如允许的输出纹波,瞬变和保持时间,以节约系统电平.电源设计人员需在开发/优化创新单段解决方案中投入时间和精力.最后,元件供应商,如半导体公司和磁芯公司必须了解系统的需要并
提供合适的解决方案.
这种合作的一个例子是开发适配器设计解决方案以满足领先笔记本电脑OEM的规格.该方案采用安森美半导体的NCP1651作为磁芯控制器,能满足所有的性能目标,且大幅节省成本.在开发过程中,与OEM的交流也达成了一些规格折中方案,因此能节约更多的成本和空间.原型照片 (图6)显示可减小输出电容的大小来符合修改规范.有了这个方案改善成本和性能,OEM可提供符合所有电源要求的PFC适配器,并进一步协调供应链.同时,他们也为更清洁的电源环境作出了重要的贡献.
未来的方向和结论
无论采用单段架构或传统的2段,性能要求不会一直不变.电源公司及其伙伴必须保持创新.某些相邻领域能促进其发展,如输出同步整流,更创新的恒流/恒压(CCCV)电路和输入线路整流的更佳解决方案.此外,对于更高功率的2段解决方案,可以考虑其它拓扑结构,如谐振或钳位模式拓扑.
最后决定哪个方法最适合笔记本适配器取决于各种因素,如设计人员熟悉程度,元件供货和成本以及OEM规格.然而,表1总结了本文所列出的各种选择方案.若笔记本电脑制造商能与电源制造商和主要的元件供应商,如半导体厂商在系统级层面合作,就能出现更好的方案,来满足终端用户的需要并进一步推动技术曲线.

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