用于低功率应用的高能效AC-DC开关稳压器方案

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近年来，世界各国政府为了因应全球气候变暖，纷纷制定更严格的高能效法规与标准，提升电源能效，降低能耗，以期减轻对环境的压力。安森美半导体身为全球领先的半导体供应商，积极推动高能效创新，提供宽广阵容的高能效电源产品及方案，涵盖从高集成度功率因数控制器、AC-DC控制器、DC-DC控制器，到分立MOSFET、整流器、IGBT等，以及智能功率模块(IPM)和功率集成模块(PIM)等，用于计算机、消费(电视机、DVD、机顶盒、游戏机等)、白家电、电信、工业及LED照明等重点应用，符合或超越各种能效规范。
       
        本文重点围绕市场上的低功率应用，如消费类电器/白家电辅助电源、待机隔离电源、电表/智能电表电源、辅助电源、调制解调器/路由器AC-DC适配器、低功率LED照明、工业设备控制等，介绍安森美半导体涵盖2 W到25 W功率范围的高能效AC-DC开关稳压器方案。
         

       

       
        图1：市场上常见的低功率AC-DC开关稳压器应用。

        安森美半导体提供一系列高能效固定频率脉宽调制(PWM)电流模式开关稳压器，包括：
            NCP1010及NCP1011，用于0至5 W应用；
            NCP1012、NCP1013、NCP1014和NCP1015，用于5 W至10 W应用；
            NCP1027及NCP1028，用于5 W至15 W应用；
            NCP1070、NCP1071、NCP1072、NCP1075、NCP1076及NCP1077，用于3 W至15 W应用；
            NCP1124、NCP1126及NCP1129，用于10 W至30 W应用；
            NCP1136，用于15 W至20 W应用。
       
        其中，NCP107x、NCP112x及NCP1136是新的开关稳压器产品，也是本文探讨重点。这些产品中，NCP107x集成了700 V高压MOSFET开关，NCP112x集成了强固的650 V高压MOSFET，而NCP1136集成了800 V高压MOSFET。
       
        1) NCP107x系列700 V单片集成开关稳压器
        NCP107x系列单片开关稳压器采用PDIP-7或SOT-223封装，与NCP101x系列引脚对引脚兼容。NCP107x系列采用电流模式65/100/130 kHz固定频率工作，用于3 W至15 W功率的应用，如平板电视辅助电源、白家电、电表等。
       
        这系列器件支持频率反走及跳周期模式，提升电源轻载能效。这系列器件还具有内置高压启动功能，支持动态自供电(DSS)，提供无损耗的启动序列。这系列器件的其它特性包括：短路保护、1 ms软启动、频率抖动、Vcc引脚过压保护等。NCP1070和NCP1071集成了导通阻抗为22 Ω的MOSFET，峰值电流分别250 mA和350 mA。NCP1072和NCP1075的MOSFET导通阻抗为11 Ω，峰值电流分别为250 mA和450 mA。NCP1076和NCP1077的MOSFET导通阻抗为4.3 Ω，峰值电流分别为650 mA和800 mA。
       
        安森美半导体基于NCP107x开发了一系列参考设计。图2显示的是基于NCP1075/2的5至10 W参考设计，针对智能电表、电表及白家电应用。这参考设计提供较高能效，同时提供低空载待机能耗。这参考设计演示板还提供低成本感测电路选择。

       

         
        图2：用于智能电表、电表及白家电等应用的NCP1072/5 5到10 W参考设计。

        基于NCP1075的双路输出8 W参考设计(见图3)，提供优异的能效水平及互稳压性能，用于白家电及工业设备等应用。
         

       
        图3：用于白家电、工业设备等应用的NCP1075 8 W双路输出参考设计。

        基于NCP1070/1的参考设计(见图4)典型输出电压为5 V，输出电流1 A，提供80%的能效，适合低功率AC-DC适配器及消费电子应用。
         

       

       
        图4：用于低功率AC-DC适配器、消费电子等应用NCP1075 2到5 W参考设计。

        基于NCP1076/7的20 W参考设计典型能效达80%，适合白家电及工业等应用。
         

       
        图5：基于NCP1076/7的20 W参考设计。

        基于NCP1075的12 W参考设计采用抽头(tapped)电感来隔离交流信号，提高MOSFET工作的占空比，提高系统能效及电路性能。这参考设计适合白家电、电表及工业设备等应用。
         

       
        图6：基于NCP1075的12 W抽头电感降压参考设计。

        为了配合采用极高交流主电源电压供电的低功率应用，安森美半导体还提供基于NCP1075、带预稳压器的15 W参考设计。这采用设计采用专利的电路应用，支持在2相(而非相位和中性点)之间供电，而没有相应双输入大电容及相应高电源电压的缺点，帮助降低BOM成本。
         

       
        图7：基于NCP1075开关稳压器和200 V预稳压器的极宽电压范围15 W参考设计。

       
       
        2) NCP112x系列650 V单片开关稳压器
        NCP112x系列峰值电流模式单片开关稳压器内置650 V额定雪崩能量MOSFET，采用65 kHz或100 kHz开关频率工作，采用PDIP-7封装，适合平板电视辅助电源、白家电、电表等应用。
       
        这系列产品中，NCP1124和NCP1126分别集成导通阻抗为9 &Omega;和6 &Omega;的MOSFET，能够提供达15 W输出功率；NCP1129集成2 &Omega; MOSFET，能提供达25 W输出功率。这系列器件在轻载条件下频率能够反走至26 kHz及采用跳周期模式工作，帮助提升轻载能效。NCP112x支持正常及频率反走条件下的频率抖动，改善电磁干扰(EMI)性能。其它特性包括内置4 ms软启动、可调节限流及低空载待机能耗(<100 mW)等。                                                                                                                                                                                                                                          
       
        安森美半导体基于NCP1126开发了20 W参考设计。这参考设计提供5 V输出电压及最大5 A输出电流，采用外部补偿来优化输出负载，待机能耗极低。
         

       
        图8：基于NCP1126的20 W参考设计提供极低待机能耗。

        基于NCP1129的20 W参考设计提供12 V输出电压及连续1.6 A电流，同样提供高能效和极低待机能耗，适合白家电、电表、智能电表等应用。
         

       
        图9：基于NCP1129的20 W参考设计适合白家电、电表/智能电表等应用。

        3) NCP1136 800 V单片开关稳压器
        NCP1136单片集成开关稳压器与NCP112x系列引脚对引脚兼容，其特性与NCP112x类似，均采用PDIP-7封装，集成额定雪崩能量MOSFET，同时具有轻载时频率反走、跳周期、快速软启动、可调节限流及低空载待机能耗等特性，适合平板电视辅助电源、白家电、消费电子及电表等应用。不同的是，NCP1136集成的是3.7 &Omega;导通阻抗、800 V MOSFET。基于NCP1136的20 W参考设计在宽负载范围条件下提供高能效，并提供低待机能耗(图10)。
       
        总结：
        安森美半导体为市场上的低功率应用提供宽广阵容的AC-DC开关稳压器产品，用于白家电、消费电子、电表/智能电表、工业控制等多种应用。安森美半导体还基于这些产品开发了一系列参考设计，不仅在典型负载范围下提供高能效，还提升轻载能效，降低空载待机能耗。设计人员利用这些产品及参考设计，能够更快地开发高能效的低功率电源应用，并在市场上占据更有利位置。
         
        表1：安森美半导体低功率开关稳压器特性及典型应用小结。
       
         
        表2：安森美半导体低功率开关稳压器参考设计