- 反激式轉換器的創新設計方法
- TOPSwitch-HX控制器具體應用
- 使用TOPSwitch-HX控制器對電能轉換多模式控制
- 以132kHz頻率進行開關降低損耗
- 調整MOSFET導通時間來控制輸出電壓
本文介紹反激式轉換器的一種創新設計方法，它通過先進的控制技術來提升所有功率水平的效率，并實現超低空載功耗。這種設計方法可使制造商以與標準“磚塊式”筆記本適配器相當的成本生產出超薄筆記本適配器，同時這些超薄筆記本適配器的性能還超出了能源之星EPSv2.0的功率效率要求和其它全球性能效標準。
圖1：典型的反激式轉換器電路簡圖
TOPSwitch-HX在單個IC封裝中集成了一個700VMOSFET、MOSFET柵極驅動和一個用戶可選擇限流點的PWM控制器。在使能狀態下，控制器的振蕩器在每個時鐘周期開始時導通功率MOSFET。當電流達到限流點或達到反饋信號設置的占空比(PWM控制)時，MOSFET才會關斷。PWM控制器關斷MOSFET后，變壓器繞組間的電壓開始反向，輸出二極管被正向偏置，電流開始流入次級繞組，從而補充輸出電容中的電荷并將電流供應給負載。
PWM控制在高功率下可提供較高的效率，但當功率下降到中低水平時，效率將會隨之降低。我們可以通過分析開關電源中損耗產生的原因來探究其中的緣由。電源中有兩種基本損耗：電流流動產生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負載產生的開關損耗。
阻性損耗是電流均方根(RMS電流)的函數，因此，當功率水平較高時，阻性損耗就相當大。開關損耗與開關頻率成比例。因此一般情況下，當功率較低時，將會出現開關損耗(隨頻率變化而變化)，從而嚴重限制電源的效率。
通過將開關頻率保持在較低水平，可以降低開關損耗，從而提高中低功率下的效率。不過，通過提高頻率可以減小某些元件(如變壓器、輸出電容和后級LC濾波器等)的尺寸，這一點對于設計薄型筆記本適配器很有利。
集成在TOPSwitch-HX器件中的700VMOSFET采用特殊制造技術，能以132kHz頻率進行開關，其總體損耗比以更低頻率工作的其它同類MOSFET產品低得多。利用132kHz的開關能力，PI研發出一種名為SlimCore的薄型變壓器架構，這樣就可以在薄型筆記本適配器應用中采用低成本的線繞變壓器。
為克服PWM控制常見的效率限制問題，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎，以優化所有功率水平下的開關頻率和均方根(RMS)電流(圖2)。[page]
圖2：TOPSwitch多模式控制
在高負載條件下，TOPSwitch-HX控制器工作于全頻PWM模式，此時用戶既可使用尺寸較小的元件，又可實現高效率。隨著負載的降低，控制器也降低頻率，從而降低開關損耗。它先切換到變頻模式，然后切換到頻率較低的固定頻率PWM模式。當負載極輕時，控制方式從PWM控制模式開始切換，并采用多周期調制控制算法。TOPSwitch-HX能根據經由光耦器饋入到控制引腳的反饋電流(圖1)，自動在各控制模式間切換。
在高負載條件下，全頻PWM模式可實現高效率開關。開關頻率選定為132kHz，這樣能減小變壓器尺寸，同時能使開關頻率保持在150kHz步降開關以下，從而符合傳導EMI標準。占空比與反饋到控制引腳的控制電流呈線性函數關系并隨之減小。
隨著輸出負載的降低，TOPSwitch-HX控制將切換至變頻模式(VFM)。在此模式下，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時開關頻率會從132kHz的初始全頻(或66kHz，取決于用戶的選擇)下降到30kHz。占空比隨著負載的降低而減小，這一過程通過延長開關脈沖之間的關斷時間來完成。開關頻率的降低導致開關損耗下降，并可在負載降低時維持電源效率恒定不變。
隨著電源負載進一步降低和開關頻率達到30kHz，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式。在此模式下，通過調整MOSFET導通時間，可使開關頻率保持在音頻波段以上并維持輸出穩壓。開關頻率保持恒定不變且占空比減小，工作方式與全頻PWM模式相同，都通過縮短MOSFET導通時間來實現。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值，即設定流限值的25%，這樣可以在低功率時保持高效率，避免音頻噪聲問題。
TOPSwitch-HX進入其最后的工作模式，即多周期調制模式，以支持超低負載要求。當峰值漏極電流降到設定流限值的25%時，控制器便會切換到多周期調制模式。在此模式下，每當根據回路要求傳導能量時，功率MOSFET將以30kHz的開關頻率開關，且至少持續135μs。這將產生一組至少四到五個的開關脈沖，這些脈沖的峰值初級電流固定為設定流限值的25%，且不受控制環路的影響。
135μs的強制性最小開關時間過后，控制器將以逐周期的方式對來自環路的反饋信號作出反應。隨后MOSFET關斷，直至控制引腳電流降到預設值以下。這種工作模式可使與峰值漏極電流成比例的變壓器磁通密度減小，繼而將變壓器發出的音頻噪音降至最低，同時還可以避免6kHz到15kHz之間的開關頻率。常采用的反激式轉換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介于此頻率范圍內。
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多周期調制功能可有效地將每個平均開關頻率控制在所需的音頻范圍內，保持輸出穩壓，同時避免出現前面提到的磁芯自諧振頻率。因此，與更為傳統的突發工作模式不同的是，多周期調制能確保音頻噪音得到有效抑制，同時還可提高工作效率。
上述控制模式為電源設計師提供了內置的設計方法。該方法可在整個功率范圍內實現高效率，但對設計師而言，仍還有許多工作要做。電源設計必須要安全地解決所有故障情況和最差情況下的元件容差問題。在以非連續導通模式(DCM)工作的反激式轉換器中，輸出到負載的功率與開關頻率、變壓器初級電感量以及峰值電流平方均成比例。
因此，這三個參數的微小變化便可導致過載電流遠遠超出故障條件下的額定輸出值。為構建能經受此類故障的電源，就必須采用較大的元件，但這卻會給薄型筆記本適配器設計帶來空間和散熱兩大難題。
TOPSwitch-HX已解決了上述難題。TOPSwitch-HX引入額外的電路，并在最終測試中采用參數調整技術，以控制開關頻率與流限值平方的乘積的最大值和最小值，這在數據手冊中用一個新的參數來表征，即功率因數(I2f)。
在圖3中，對TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch-GX(無I2f調整)的工作區域進行了比較。去除特性曲線的左下方區域(I2f=0.81)，TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過變壓器傳導的最小能量。這樣，使用一個初級繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器，即足以在最差情況下提供指定的輸出電流。
去除右上方區域(I2f=1.21)可降低最大過載功率，同樣，使用一個初級繞組電感低于先前要求的大約9%的變壓器也可以實現這一點，從而降低電路中許多元件的最大功率要求。在TOPSwitch-HX中引入I2f調整技術，是設計薄型筆記本適配器的關鍵促成因素。該技術可在給定設計中使給定的變壓器磁芯尺寸提供更多功率輸出，使過載功率與額定功率的比率大幅降低，并使導通損耗更小。
圖3：功率因數的影響
集成多模式控制及I2f調整功能的TOPSwitch-HX器件，13.5mm的凈空高度可容納整個電源，而制造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當。該設計的平均功率效率大于87%，超出了能源之星EPSv2.0的要求。當采用交流230V輸入時，電路空載功耗可降到300mW以下，遠遠低于能源之星所允許的500mW空載功耗。
綜上所述，采用TOPSwitch-HX的超薄型筆記本適配器不再昂貴。所有筆記本適配器都可以采用這種方式進行設計和制造，既節省材料又節約能耗。超薄型筆記本適配器可節省功率和成本。
