筆記本電腦電源適配器輕型化方案

文/任晨

筆記本電腦電源適配器輕型化方案

文/任晨

電源適配器是筆記本電腦配件中重量最重的配件之一。通過對電源適配器的輕型化設計，可以到達降低筆記本電腦運輸成本的目的。輕型化電源適配器的應用也可以減小筆記本電腦的包裝尺寸。目前筆記本電腦的電源適配器是使用高頻開關電源設計。由于高頻開關電源零件尺寸的原因，導致高品開關電源設計的電源適配器的重量和尺寸都無法縮減。本次研究是使用甚高頻電源開關設計來獲得重量和尺寸的大幅縮減，且能夠提供足夠高的輸出功率的電源適配器。

筆記本電腦配件 電源適配器 輕型化 甚高頻開關電源

1 問題描述

目前主要包括兩種電源類型：線性電源和開關電源。

對于線性電源而言，其內部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比，由于當前一直采用的是50-60Hz頻率的AC市電，所以其變壓器以及電容的個頭往往都相對比較大。由此可見，個人PC用戶并不適合用線性電源。

開關電源可以通過高頻開關模式很好的解決這一問題。對于高頻開關電源而言，AC輸入電壓可以在進入變壓器之前升壓。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個頭就不用像線性電源那么的大。

受益于硅器件封裝不斷的發展，開關頻率已經推到了兆赫茲級別，被動元件的體積不斷減小，變換器提高了功率密度，但是高開關頻率帶來的高開關損耗、高磁芯損耗使得整個系統損耗大幅增加。

2 解決方案

VHF是Very High Frequency的縮寫，即甚高頻。在電源領域是指頻大于10Mhz的電子硅器件開關。

甚高頻開關的優點是很明確的，電源適配器的尺寸，重量和成本是取決于被動元件。動態開關頻率控制是最好的解決方案。在30Mhz工作頻率下，功率在100瓦級的電源適配器使用的電感和電容在100nH和100pF范圍。在這個量級，會使用小型、空氣電感和變壓器。這樣的變化對電源成本和制造有很大的好處。

所以，使用甚高頻開關是減小電源適配器重量的一種可行的出路，開關工作頻率在30Mhz-100Mhz。這個工作頻率是現有高頻開關工作頻率的1000倍

然而，隨著開關工作頻率的大幅提高，功率密度也是被特定因素制約的：

2.1 開關損耗

開關管工作狀態有兩種：斷開狀態和導通狀態。斷開狀態時，流過開關的電流為0，雖然開關兩端電壓不為0，但P=UI=0，所以不消耗功率。導通狀態時，開關上流過電流，但開關兩端電壓為0，同樣P=UI=0。實際上開關器件開關時總有一個過渡狀態，會導致開關損耗。而且開關損耗與開關頻率成正比。

開關損耗包括導通損耗和截止損耗。導通損耗產生的原因：導通瞬間開關器件電壓的不能馬上降為0，而電流從0已上升，因此在開關管上產生電壓電流交替現象，而產生損耗電壓不能馬上降為0的原因是開關器件上有寄生電容，電容上電壓不能突變，即不能馬上降為0，從而產生功率損耗。在導通過程中，寄生電容的儲能通過開關器件放掉而損失。截止損耗產生的原因：截止瞬間開關器件電流不能馬上降為0，而電壓已經從0上升，在開關器件上產生電壓電流交替現象。電流不能馬上為0的原因是，與開關器件連接的電路中有寄生電感，阻礙電流變化。并且逆變電路中變壓器是電感元件，當開關突然關斷時，變壓器電感元件電流不能突變，并會產生很大的反激電壓，阻礙電流變化，通過電路加在開關管上，產生比較大的損耗。提高開關速度不但不能消除損耗，反而會使反激電壓越大，損耗更大 。

2.2 磁材損耗

磁材損耗是和開關頻率的k次方成正比的。磁材是限制頻率重要因素，外加上磁性元件一般能承受的溫升也就50到60攝氏度。

磁材損耗是磁芯材料內交替磁場引致的結果。某一種材料所產生的損耗，是操作頻率與總磁通擺幅(ΔB)的函數。磁芯損耗是由磁芯材料的磁滯、渦流和剩余損耗引起的。

2.3 其他限制因素

EMI和干擾、系統散熱、電容和電感的寄生效應等。

3 甚高頻電源適配器的制約因素的應對方法

3.1 開關損耗

使用高集成的新型硅芯片（比如：美國麻省理工的FINsix團隊研發的VHF開關）。

3.2 磁材損耗

通過使用空磁芯變壓器線圈解決磁材損耗。

3.3 EMI和干擾

通過布線設計和開關工作頻率選擇（EMI仿真圖上選擇轉擇點座位最佳開關工作頻率）。

3.4 系統散熱

采用Metal core PCB技術，熱阻一般為4℃/W。另一種叫DCB的技術，用陶瓷基板散熱，器件從陶瓷上表面到下表面的熱阻基本為0.4℃/W。

4 實際應用結果與效益

以現有市場主流PC品牌廠商的電源適配器為例，某甚高頻適配器電源的重量分別是

（惠普）Probook 5310m的15% 和（惠普）Pavilion dv6的12%。

以每個包裝運輸單位（80 ～ 90臺筆記本電腦）計算，每個包裝單位可以增加20臺筆記本電腦，如圖1。

[1]Dr.Anthony Sagneri,VHF Power： The SMPS Revolution.Sep 2,2013.

[2]宋軍軍.高頻開關電源開關損耗的成因及改進方法[J].電信科學,1998(12).

[3]劉賢興.新型智能開關電源技術[M].北京：機械工業出版社,2003.

[4]周志敏,周紀海,紀愛華.現代開關電源控制電路設計及應用[M].北京：人民郵電出版社,2005：139-144,153-197.

作者單位 惠普貿易（上海）有限公司 上海市 201203

任晨（1981-），男，上海市人。現供職于惠普貿易（上海）有限公司。研究方向為輕型化電源適配器在記本電腦配件中的應用。