利用安森美半導體NCP1937控制器設計高能效、低待機能耗75 W+電源
在人們的日常工作或生活中，所使用的筆記型電腦或桌上型電腦一體機等應用並不總是滿負載或重負載工作，而是在相當多的時間內會處於待機或輕載工作模式。在消費者節能意識不斷增強及能效法規日趨嚴格的當今，電源的輕載或待機能耗性能也越來越受設計人員重視。本文介紹安森美半導體NCP1937電源管理組合控制器主要特性，幫助設計人員設計高能效、低待機能耗(<10 mW)的75 W以上功率電源，適用於一體機和筆記型電腦適配器及LED電視電源等領域。
NCP1937基本特性簡介
NCP1937是安森美半導體新近推出的一款組合控制器(Combo Controller)，在單晶片中整合了功率因數校正(PFC)控制器及准諧振(QR)反激控制器，能用於設計緊湊、高能效、待機及輕載能耗極低的適配器等電源。
NCP1937具備一些特性，如支持省電模式(Power Saving Mode, PSM)，可將待機能耗降低至低於10 mW。該控制器包含高壓啟動及有源輸入濾波X電容放電電路，幫助減少外部元件數量及降低待機能耗。它整合的准諧振控制器帶谷底鎖定功能，提供無雜訊工作。NCP1937整合了高壓輸入欠壓檢測器，還整合了高壓開關，用於斷開PFC回饋電阻分壓器以降低待機能耗。NCP1937支持9 V至30 V的寬VCC範圍，帶內置過壓保護。它還包含0.5 A/0.8 A源/汲電流柵極驅動器。
NCP1937採用SOIC-20封裝，圖1顯示的是其接腳配置圖。其中，HV/X2接腳用於高壓啟動電路輸入，還用於輸入X電容放電。BO/X2接腳為整個IC執行輸入欠壓檢測，還用於為輸入X電容放電並檢測線路電壓範圍。PControl控制PFC傳導誤差放大器輸出，補償網路連接此接腳及地，以設定環路帶寬。而連接在PONOFF接腳與地之間的電阻設定PFC關閉閾值。PSTimer接腳進行省電模式控制及定時器調節。更多接腳功能參見NCP1937數據表。
圖1：NCP1937接腳配置圖。
NCP1937關鍵功能詳解
NCP1937組合控制器整合了PFC控制器和QR反激控制器。其中，PFC控制器採用臨界導電模式(CrM)工作，帶谷底開關、恆定導通時間控制及最大頻率鉗位功能。某些應用中要求在負載變輕時關閉PFC轉換器以最佳化系統能效。NCP1937中的PFC控制器採用新穎的架構來確定輸出功率，並根據輸出功率來啟用/關閉PFC段。例如，用戶可以調節PFC段關閉閾值，並且針對美國及歐洲的交流電壓提供不同的PFC段關閉閾值等級，能夠減小輸出大電容。PFC控制器的跟隨升壓架構根據交流線路電壓獨立調節PFC輸出電壓(美國交流電壓輸入條件下為250 V，歐洲/亞洲交流輸入條件下為400 V)，並降低功率耗散。線路電壓前饋功能增加了動態範圍，並提升雜訊抗擾度。PFC控制器還提供極佳的瞬態負載回應，因為包含動態回應增強器(DRE)。軟過壓保護特性降低負載瞬態期間出現可聽雜訊的可能性。其他特性包括：正向電流感測，結合PFC零電流檢測(ZCD)；250 kHz頻率鉗位及輕載時跳週期工作；豐富的安全保護特性，如快速過壓保護(OVP)、PFB接腳開路保護、升壓及旁路二極體短路檢測。
反激控制器採用准諧振峰值電流模式工作，帶谷底鎖定功能。准諧振反激控制器開關驅動器(QDRV)關閉期間延遲3 μs，消隱漏電流振鈴效應。反激控制器內置4 ms緩啟動，包含128 ms定時器用於短路檢測(提供自動恢復或閂鎖選擇)。反激控制器支持輕載工作模式，在第4個谷底後採用壓控振盪器(VCO)工作模式，最低頻率被限制為 23.5 kHz；負載更輕時強迫進入跳週期模式，進一步節省能耗(見圖2)。其他特性包括ZCD接腳上結合過功率補償等。
圖2：NCP1937中的QR反激控制器在不同回饋輸入電壓條件下的工作谷底。
基於NCP1937的85 W適配器演示板性能測試
安森美半導體基於NCP1937組合控制器開發了一款85 W適配器演示板(見圖3)。該演示板可工作在寬範圍輸入電壓條件下，提供20 V的額定輸出電壓。演示板除了使用NCP1937，還使用安森美半導體NCP4303次級端同步整流控制器提供次級端同步整流，並使用安森美半導體用於低待機能耗電源適配器的NCP4355次級端控制器進行次級端空載檢測控制。
圖3：基於NCP1937、NCP4303和NCP4355的85 W低待機能耗適配器演示板。
圖4顯示了此演示板在不同輸出功率條件下的能效測試數據及曲線圖。測試顯示，這85 W演示板在115 Vac、92.99 W輸入功率(Pin)條件下，能效達91.28%；在230 Vac、91.85 W Pin條件下，能效達92.41%；平均能效高達90.18%。
此演示板在輕載條件下的能耗極低，也提供較高能效。如在115 Vac、5.027 W Pin條件下，能效達79.85%；而在115 Vac、11.640 W Pin條件下，能效達85.91%。而在230 Vac、5.055 W Pin條件下，能效達79.13%；在230 Vac、11.869 W Pin條件下，能效達84.25%。
圖4：基於NCP1937的85 W適配器演示板提供高達90.18%的平均能效。
如前所述，NCP1937包含獨特的省電模式(PSM)，能夠用於在空載條件下將適配器待機能耗降至最低。PSM工作採用外部控制信號來控制。實際上，次級端控制器NCP4355感測電源(VOFFDET)的輸出負載。當檢測到輕載條件時，控制器將通過光耦發送信號，指令NCP1937進入省電模式。指令信號通過將PSTimer接腳拉至高於3.5 V閾值，迫使控制器進行省電模式(PSM)。而在PSM下，VCC將能夠放電，直至達到穩壓點。實際上，NCP1937通過每半個週期交替導通HV/X2及BO/X2啟動電路，將VCC穩壓至VCC(PS_on)，通常是11 V。此85 W演示板採用雙線連接時測得的數據顯示：115 Vac時，NCP1937在省電模式能耗僅為4.82 mW；265 Vac時，NCP1937在省電模式下的能耗為8.68 mW。
圖5：進入省電模式(PSM)的波形
值得一提的是，為了符合安規，AC-DC電源必須在插頭從交流插座撥出後小於1秒時間內完成自動對EMI輸入濾波器X2電容放電。為了符合此要求，通常使用一串高阻抗電阻與電容並聯。但這電阻鏈消耗約25 mW的輸入功率，在空載條件下這25 mW尤為刺眼。為了有效地給X2電容放電，同時降低空載能耗，安森美半導體的方案是通過內部開關來檢測交流連接狀況並給電容放電，節省空載能耗。NCP1937給X2電容放電的步驟是：
檢測到移除交流電壓(撥出AC插頭)時，BOX2及HVX2接腳上的電壓變為靜態。額定的95 ms定時器計時必須用完，以使控制IC通報交流電壓已移除。通報交流線路移除時驅動脈衝停止。
Vcc電壓由內部下拉電流源(額定電流11.5 mA)放電至Vcc(off)閾值。
一旦Vcc被下拉至Vcc(off)，啟動電流源以額定3.75 mA電流導通，並將X2電容中存儲的電荷傳輸至Vcc電容。
根據VCC電容與X2電容的相對尺寸大小 ，有可能使Vcc電壓到達Vcc(on)閾值並重啟控制器。然後必須再次檢測到移除交流線路。
圖6：NCP1937通過檢測交流條件來給X2電容放電，節省空載能耗
NCP1937也能在較高負載條件下提供優異的功率因數。測試顯示，此85 W演示板在115 Vac條件下50%、75%和100%負載時的功率因數分別達0.978、0.984和0.985；在230 Vac條件下75%和100%負載時的功率因數分別達0.943和0.956。
小結：
安森美半導體的NCP1937組合控制器整合了PFC控制器和准諧振反激控制器，是一款高能效、低待機能耗(可低於10 mW)的方案，適合75 W以上功率的電源應用，如筆記型電腦及桌上型一體機電源適配器。本文介紹了NCP1937的關鍵特性以及基於NCP1937開發的85 W電源適配器演示板能效測試結果，闡釋了部分關鍵功能的工作原理，幫助設計人員更好瞭解這組合控制器的特性及優勢，以開發高能效、低待機能耗的75 W以上電源方案。
參考資料：
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