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用于反激式適配器的多功能PWM控制器FAN6754

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月14日  

當你把幾乎任何小型計算或消費電子設備插入電源插座時,便不難發現手中的插頭大部分都連接到外部電源(EpS)。EpS是所有小型電子設備工作的必不可少的部分,單單在美國,就有多達15億個在使用中(據業界估計,在全球則超過30億個)。

EpS的核心是多功能pWM控制器集成電路(IC)(如飛兆半導體的FAN6754)以及功率MOSFET,它們聯合工作,為負載高效分配能量,并監控電路以保護系統。所有元器件都被集成在一個精簡的封裝中,與過去那種看起來老舊笨重的電源成了強烈比較。


pWM控制器可被視為電源的大腦。它監控反饋數據并調整占空比,以調節開關模式電源(SMpS)的輸出電壓,幫助系統滿足所有相關節能標準。


這種綠色模式pWM控制器可以提高效率,并新增了保護功能,將受到致力于滿足最新綠色功耗標準的工程師們所青睞。隨著全球對節能問題的重點關注,監管機構開始研究所有“綠色”方法,各種標準因而相繼被制定出來,規定筆記本電腦電源等產品必須擁有更高的效率。降低待機功耗和提高效率已成為眾多倡議的一項關鍵要素,比如美國的自愿性能源之星(ENERGYSTAR)效率分級計劃,和歐盟及亞洲一些國家采用的強制性產品節能規范等。


譬如,ENERGYSTAREpSversion2.0要求的工作模式效率和更低的空載功耗比目前標準更嚴格。該要求強制規定平均工作模式效率須至87%才能取得能源之星標簽(參見表1)。


ENERGYSTARv.2.0規范針對EpS的另一個規定是合格的AC-AC外部電源或AC-DC外部電源在空載條件下可使用的最大輸入功率。空載模式下的最大功耗級見表2。


不論在成本上還是在技術方面,反激式拓撲都已被證明是一種有效的解決方法,在筆記本電腦或膝上型電腦的AC-DC適配器和充電器中用脈寬調制(pWM)功率轉換來實現。飛兆半導體的FAN6754是一款高度集成化的綠色模式pWM控制器,能夠供應多項可增強反激式轉換器性能的出色功能,比如:HV啟動系統(能承受700V)、可降低EMI的跳頻技術,以及更高的集成度以節省外接部件等。工程師使用這款控制器,可獲得比采用分立式元件的解決方法更高的可靠性和更低的BOM成本,以及更低的裝配成本。為了進一步降低功耗,FAN6754采用了BiCMOS制造工藝,故能夠允許工作電流小于2mA(典型值為1.7mA)。


FAN6754還有兩個實用的功能。與提高效率同等重要的是,該器件讓電源設計人員能夠以較少的外部部件,供應全方位的保護功能,從而降低成本,簡化設計。另外,保護功能對創建具成本效益的電源至關重要,因為任何通過增大元件尺寸來處理過壓力問題的需求,都會對成本和終端產品的物理參數出現不利影響。


FAN6754擁有眾多安全功能,如欠壓鎖定(UVLO)、過載保護(OLp)、過壓保護(OVp)、過流保護(OCp)和過流限制(OCL)。這些功能與熱關斷模式(帶軟件式安全重啟功能)相結合,共同保護精密的電路。內置8ms軟啟動電路可大大減少啟動電流尖峰和輸出電壓過沖現象。適當利用這些保護和控制功能,設計人員就更加有信心使設計更接近設計余量。


綠色模式工作


FAN6754pWM控制器整合了不少靈活的設計特性,可降低筆記本電腦適配器的總體功耗。例如,為了把待機功耗降至最低,該器件采用了一項專有的綠色模式功能,其在輕載條件(如25%的負載)下可供應非導通時間調制(off-timemodulation)來持續降低開關頻率。由于SMpS中的大部分損耗都與pWM頻率成正比,故非導通時間調制能夠減小電源在輕載和空載條件下的功耗。以電壓反饋環路的反饋電壓VFB為參考值,一旦VFB低于閾值電壓,開關頻率便會持續降低。


實現效率最大化的另一個關鍵因素是對固定基頻(以及倍數開關頻率)下開關器件出現的EMI(電磁干擾)的控制,因為這種干擾會對電網出現有害影響。飛兆半導體的FAN6754采用了跳頻技術(見圖1),可以在更寬廣的頻率范圍上擴展能量。采用這種辦法,可減小信號衰減,滿足EN55022(輻射和傳導放射歐盟標準)和CISpR22ClassB(輻射和傳導放射國際標準)等國際規范。


利用這種技術,FAN6754以最少的濾波器且無需新增抑制元件即可降低峰值放射,從而盡量防止了這些器件造成的成本新增、空間占用和對寶貴能量的消耗。在這種專利技術(美國專利號7026851)中,頻率隨不同電容器之間的切換而變化。


降低開關頻率的一個不良副用途是它可能出現噪聲(大多數開關充電器都受開關功能本身出現的噪聲之影響)。由于開關的頻率隨輸出負載而變化,故開關頻率可能下降至音頻頻帶,當基頻在人耳聽力范圍之內時,會導致可聞的噪聲。為了防止聲學噪聲問題,最小的綠色模式pWM頻率設置為22KHz。


峰值電流模式pWM控制的另一個特性是電流控制環路可能變得不穩定,導致次諧波振蕩。為了防止這種情況的發生,在FAN6754pWM在占空比超過45%時,也就是說開關周期內有45%以上的時間pWM開關處于導通狀態時,就會采用同步斜率補償(synchronizedslopecompensation)。


輕載條件下,飛兆半導體FAN6754進入專有的綠色工作模式,供應非導通時間調制,以降低pWM頻率和工作電流(因為輕載時的損耗以開關損耗為主,這就可以把空載功耗降至最低)。為了把開關損耗降至最小,FAN6754采用了一種周期跳步的Burstmode,亦即在待機工作模式下,電源開關按照預定的頻率突發地導通/關斷。


在這里先進一步解釋Burstmode:設想要滿足待機模式下的低功耗要求,輸出端應只有極少乃至沒有負載電流。輸出電壓新增會造成反饋電壓下降;當反饋電壓低于閾值時,開關便停止以實現節能。根據負載電流情況,輸出電壓最終下降,導致反饋電壓新增。而一旦達到突發模式閾值,開關便會再次啟動。BurstMode的“開”和“關”閾值都是完全可設計的。


有了這些綠色工作模式,連同內置非耗能700V啟動電路和低靜態電流,65W/19V筆記本電腦適配器就可以滿足空載能耗100mW這類嚴格的節能要求。


演示板結果


事實上,在115Vac/60Hz下,65W/19V演示板上測得的FAN6754的平均效率為88.36%(規范要求為87%),在230Vac/50Hz下為88.85%,超越了EpA4.0標準規定的適配器在工作模式下的最小平均效率。在空載功耗方面,同樣是在65W/19V演示板上測試,測得88mW@264VAC(在60W/12V演示板上測得為76mW@264VAC)。圖2示出與前代產品SG6742的比較。


比較可知,飛兆半導體的前代pWM控制器(SG6742)在115VAC下,在60W/12V板上測得平均效率為86.66%,而FAN6754在相同條件下測得平均效率為87.51%。


而另一個便利設計人員的好處是,FAN6754與SG6742引腳完全兼容。眾多保護功能


FAN6754內置有大量全面的精確的保護功能,可保護電源和負載免受永久性損害。更好的是,設計人員無需新增外部元件或電路就可以使用這些功能,也就是說不用新增成本就能供應系統可靠性。的確,設計人員會發現FAN6754擁有的保護功能為同類競爭產品之最,同時仍然滿足筆記本電腦空載功耗<90mW的要求。


FAN6754的保護功能包括過低電壓保護(brown-outprotection)、欠壓鎖定(UVLO)、過壓保護(OVp)、過載保護(OLp)和過溫保護(OTp)。VDD過壓保護(OVp)功能可防止反饋環路開環等異常狀況造成的損害。當VDD(電源電壓)因異常狀況超過24V時,pWM輸出將會關斷。VDD引腳上的電壓檢測器可確保芯片的功率足以驅動MOSFET。


欠壓鎖定(UVLO)電路有兩個閾值,即導通和關斷閾值,分別內固定為16.5V和9V。假如DC輸入電壓下降到UVLO的關斷閾值之下,pWM輸出將被禁用。當超過UVLO導通閾值時,pWM控制器便會重新啟動。


不同于以往的pWM控制器,FAN6754的HV引腳(SOp-8配置中的4引腳)還能執行AC欠壓保護功能。采用一個快速二極管和啟動電阻來對AC線電壓進行采樣(每180μS一次采樣,脈寬20μS),每一個采樣周期峰值都被更新并存儲在寄存器中;這個峰值可用于欠壓和電流級限制調節。當HV引腳上的電壓低于欠壓電壓時,pWM輸出關斷。此外,HV引腳能夠進行限流值調整,縮小整個AC電壓范圍上的過流保護(OCp)容限。


FAN6754還擴大了采樣周期,以減小HV采樣的功耗。


飛兆半導體的綠色模式pWM控制器具有開環分析和開環保護(OLp)功能,在出現開環或輸出短路故障時可確保系統的安全性。假如反饋電壓(FB)有超過56mS的時間大于5.2V,pWM脈沖即被禁用。pWM占空比由FB電壓和電流取樣來決定。


通過采用一個外部負溫度系數(NTC)熱敏電阻來感測外部系統的溫度,可實現過熱保護(OTp)功能。NTC熱敏電阻的阻抗隨溫度新增而下降,RT引腳上的電壓(VRT)相應降低。假如VRT小于1.035V,pWM在16mS后關斷。假如VRT小于0.7V,pWM在185mS后關斷。


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