新型ＩＣ催生小型高效電源適配器

直至現(xiàn)在，振鈴扼流變換器(RCC)，一直是在低于4瓦的功率范圍內(nèi)實現(xiàn)開關型電源的最廉價手段之一。但是元件數(shù)量多、設計和制造困難以及在RCC設計中固有的缺乏滿足能效標準的方法使得RCC在替代低效能線性電源方面是較差的候選方案。通過弄清RCC基本設計的缺點并了解減少元件數(shù)量的要求，工程師可以更好地理解如何為功率要求低于4瓦的應用設計經(jīng)濟高效的開關電源。在許多情況下，包含所有必需的控制和監(jiān)視能力的功率變換Ic，提供了簡單方式來降低元件數(shù)量同時使電源能夠滿足新型外部電源(EPS)能效標準。

需要4W或低于4W功率的應用傳統(tǒng)上依賴于基于串聯(lián)旁路穩(wěn)壓器電路的小型電源，這種電源如圖1所示。盡管這種電路簡易并且成本低，但由于出現(xiàn)了兩種新技術，它已經(jīng)失去優(yōu)勢。

首先，外部電源(EPS)現(xiàn)在必須滿足嚴格的能效標準，這幾乎排除了線性電源的使用。線性電源一般不能滿足工作效率和無負載功耗的標準(見圖2)。2006年開始，加利福尼亞州和澳大利亞將禁止銷售不符合這類新能效標準的電源。

其次，現(xiàn)在的集成電路允許工程師設計低功率開關型電源(SMPS)，這種電源不僅元件數(shù)量少而且成本和簡便性不遜于線性電源。弄清低功率SMPS的基本使用缺點將有助于工程師基于符合能效標準的新型電源控制器件來設計電路。

低功率SMPS

直到最近，振鈴扼流變換器(RCC)才出現(xiàn)極廉價的低功率SMPS設計，但是，RCC的一些缺點妨礙了它取代線性電路：

·能效低，

·缺少熱保護，

·元件數(shù)量多。

此外，RCC的性能還取決于寄生效應和元件公差之間的相互作用，因此制造商必須經(jīng)常監(jiān)視和調整元件(性能)數(shù)值以確保可接受的成品率。電路的缺點集中在圖3中突出的五個區(qū)域。

低效的啟動電路，一般的啟動電路(圖3中I區(qū)域)具有一個初始工作電流來驅動MOSFET開關Q1。

但是即使正常工作開始之后，電流仍流經(jīng)該電路。電阻則和R2的功率損耗使得許多SMPS(不僅僅是RCC)未能滿足EPS能效標準中的無負載功耗范圍。附加的元件可以在電源正常工作后阻止電流流動，但是可行的設計方案應該是在不增加元件數(shù)量或增添成本的條件下消除功率損耗。

開關頻率和MOSFET柵驅動。由于RCC自身振蕩，因此它們的開關頻率主要取決于變壓器鐵心磁通量復位所花費的時間。這意味著開關頻率在負載下最低，而在無負載時最高。(元件(性能)數(shù)值和公差也影響基本RCC的開關頻率)。但為了滿足EPS的能效標準，開關的頻率必須隨著負載的下降而降低。不增加電路的復雜性、元件數(shù)量和成本，設計師是無法解決這個問題的。

控制MOSFET Q1的開關需要8個元件(在圖3中Ⅲ區(qū)域)外加一個變壓器T1的繞組。用PWM(脈寬調制)控制IC替代這些元件將解決若干問題并減少元件數(shù)量。但是，這類IC在輸出功率低于10W的電源中幾乎根本不能節(jié)省成本。而且?guī)缀鯖]有控制IC可以隨著輸出負載的下降而自動降低開關頻率。

MOSFET的電流靈敏度。電流靈敏型電阻器(圖3中的Ⅱ區(qū)域)必須具有嚴格的公差和良好的溫度穩(wěn)定性，這使得它價格貴。此外，這種電阻器增加了MOSFET的R_DS(on)，這可能降低1％—2％的效率。去除電流靈敏型電阻將會降低元件數(shù)量和成本，同時增大效率，但是，已經(jīng)證明4W功率范圍內(nèi)的電流靈敏型變壓器成本太高，因此感應MOSFET電流的其它唯一方法是需要采用已取得專利的技術。

電壓的感應和反饋。元件R12、R13、VR3和U1—A(圖3中用Ⅳ區(qū)域)感應輸出電壓并將隔離的信號反饋到電源電路的一次側來控制MOSFET的負載循環(huán)。設計師不犧牲調壓精度是無法減少該電路二次側的元件數(shù)量。但去除該電路一次側上的D5、C6和R8就會簡化設計。

漏極點箝位電路。這部分電路(見圖3中v區(qū)域)是可能去除元件的最后一個地方。

盡管不是一個電路元件，但需要注意熱保護，因為熱保護已經(jīng)成為一個EPS業(yè)界廣泛應用的標準。增加溫度傳感器和關閉電路加大了小型電源的成本。

電源轉換匯可以克服大部分的這類設計問題。一般，這些器件含有一個控制器，一個功率MOSFET和保護功能元件，集成化使得元件數(shù)量少，并使設計和原型制造時間年降至最低程度，同時降低廠生產(chǎn)和測試成本。另外，與線性電源或RCC相比，圍繞這類IC設計的電源一般為最終用戶提供了優(yōu)異的安全性、現(xiàn)場可靠性和能效性能。

圍繞電源轉換IC設計的某種2W SMPS示意圖(圖4)展示了一種電路，它的元件的含量僅為圖3中振鈴扼流變換器電路的一半。將材料、設計時間，制造和其它成本進行比較表明制造商是可以生產(chǎn)這種類型的電源的，而成本等于或低于等效的線性電源的成本。

電源轉換IC，像這里使用的這種，由于將高電壓MOSFET和低電壓控制電路集成于一塊單芯片上，因而減少了元件數(shù)量。一種通／斷控制電路可以實現(xiàn)快速的啟動而無輸出過沖，并且不需要控制回路的頻率補償元件。

控制器從(連接到漏極引腳的)內(nèi)部高電壓電流源區(qū)給自身加偏置電壓，這就在實際上去除了外部啟動和偏置供電電路。這種特性進一步在設計時減少了元件數(shù)量同時降低了無負載的功率損耗。為調節(jié)電源的輸出電壓，控制器略過開關循環(huán)，而實際上略過開關循環(huán)進一步減少了無負載功率損耗，增加了效率。

整合的IC可以具有熱關閉功能，這將提高用戶的安全性和現(xiàn)場可靠性并且不需增加元件數(shù)量，而集成了自動重啟功能可防止電源輸出短路和反饋回路斷開，并且依然不需要增添元件。最后，先進的芯片設計技術和創(chuàng)新的變壓器繞組技術將淘汰漏極點箝位電路。