利用安森美半导体NCP1937控制器设计高能效、低待机能耗75 W+电源

在人们的日常工作或生活中，所使用的笔记本或台式电脑一体机等应用并不总是满负载或重负载工作，而是在相当多的时间内会处于待机或轻载工作模式。在消费者节能意识不断增强及能效法规日趋严格的当今，电源的轻载或待机能耗性能也越来越受重设计人员重视。本文介绍安森美半导体NCP1937电源管理组合控制器主要特性，帮助设计人员设计高能效、低待机能耗(<10 mW)的75 W以上功率电源，适用于一体机和笔记本适配器及LED电视电源等领域。

NCP1937基本特性简介

NCP1937是安森美半导体新近推出的一款组合控制器(Combo Controller)，在单芯片中集成了功率因数校正(PFC)控制器及准谐振(QR)反激控制器，能用于设计紧凑、高能效、待机及轻载能耗极低的适配器等电源。

NCP1937具备一些特性，如支持省电模式(Power Saving Mode, PSM)，可将待机能耗降低至低于10 mW。该控制器包含高压启动及有源输入滤波X电容放电电路，帮助减少外部元件数量及降低待机能耗。它集成的准谐振控制器带谷底锁定功能，提供无噪声工作。NCP1937集成了高压输入欠压检测器，还集成了高压开关，用于断开PFC反馈电阻分压器以降低待机能耗。NCP1937支持9 V至30 V的宽VCC范围，带内置过压保护。它还包含0.5 A/0.8 A源/汲电流门极驱动器。

NCP1937采用SOIC-20封装，图1显示的是其引脚配置图。其中，HV/X2引脚用于高压启动电路输入，还用于输入X电容放电。BO/X2引脚为整个IC执行输入欠压检测，还用于为输入X电容放电并检测线路电压范围。PControl控制PFC传导误差放大器输出，补偿网络连接此引脚及地，以设定环路带宽。而连接在PONOFF引脚与地之间的电阻设定PFC关闭阈值。PSTimer引脚进行省电模式控制及定时器调节。更多引脚功能参见NCP1937数据表。


图1：NCP1937引脚配置图。

NCP1937关键功能详解

NCP1937组合控制器集成了PFC控制器和QR反激控制器。其中，PFC控制器采用临界导电模式(CrM)工作，带谷底开关、恒定导通时间控制及最大频率钳位功能。某些应用中要求在负载变轻时关闭PFC转换器以优化系统能效。NCP1937中的PFC控制器采用新颖的架构来确定输出功率，并根据输出功率来启用/关闭PFC段。例如，用户可以调节PFC段关闭阈值，并且针对美国及欧洲的交流电压提供不同的PFC段关闭阈值等级，能够减小输出大电容。PFC控制器的跟随升压架构根据交流线路电压独立调节PFC输出电压(美国交流电压输入条件下为250 V，欧洲/亚洲交流输入条件下为400 V)，并降低功率耗散。线路电压前馈功能增加了动态范围，并提升噪声抗扰度。PFC控制器还提供极佳的瞬态负载响应，因为包含动态响应增强器(DRE)。软过压保护特性降低负载瞬态期间出现可听噪声的可能性。其它特性包括：正向电流感测，结合PFC零电流检测(ZCD)；250 kHz频率钳位及轻载时跳周期工作；丰富的安全保护特性，如快速过压保护(OVP)、PFB引脚开路保护、升压及旁路二极管短路检测。

反激控制器采用准谐振峰值电流模式工作，带谷底锁定功能。准谐振反激控制器开关驱动器(QDRV)关闭期间延迟3 µs，消隐漏电流振铃效应。反激控制器内置4 ms软启动，包含128 ms定时器用于短路检测(提供自动恢复或闩锁选择)。反激控制器支持轻载工作模式，在第4个谷底后采用压控振荡器(VCO)工作模式，最低频率被限制为 23.5 kHz；负载更轻时强迫进入跳周期模式，进一步节省能耗(见图2)。其它特性包括ZCD引脚上结合过功率补偿等。


图2：NCP1937中的QR反激控制器在不同反馈输入电压条件下的工作谷底。

基于NCP1937的85 W适配器演示板性能测试

安森美半导体基于NCP1937组合控制器开发了一款85 W适配器演示板(见图3)。该演示板可工作在宽范围输入电压条件下，提供20 V的额定输出电压。演示板除了使用NCP1937，还使用安森美半导体NCP4303次级端同步整流控制器提供次级端同步整流，并使用安森美半导体用于低待机能耗电源适配器的NCP4355次级端控制器进行次级端空载检测控制。


图3：基于NCP1937、NCP4303和NCP4355的85 W低待机能耗适配器演示板。

图4显示了此演示板在不同输出功率条件下的能效测试数据及曲线图。测试显示，这85 W演示板在115 Vac、92.99 W输入功率(Pin)条件下，能效达91.28%；在230 Vac、91.85 W Pin条件下，能效达92.41%；平均能效高达90.18%。

此演示板在轻载条件下的能耗极低，也提供较高能效。如在115 Vac、5.027 W Pin条件下，能效达79.85%；而在115 Vac、11.640 W Pin条件下，能效达85.91%。而在230 Vac、5.055 W Pin条件下，能效达79.13%；在230 Vac、11.869 W Pin条件下，能效达84.25%。


图4：基于NCP1937的85 W适配器演示板提供高达90.18%的平均能效。

如前所述，NCP1937包含独特的省电模式(PSM)，能够用于在空载条件下将适配器待机能耗降至最低。PSM工作采用外部控制信号来控制。实际上，次级端控制器NCP4355感测电源(VOFFDET)的输出负载。当检测到轻载条件时，控制器将通过光耦发送信号，指令NCP1937进入省电模式。指令信号通过将PSTimer引脚拉至高于3.5 V阈值，迫使控制器进行省电模式(PSM)。而在PSM下，VCC将能够放电，直至达到稳压点。实际上，NCP1937通过每半个周期交替导通HV/X2及BO/X2启动电路，将VCC稳压至VCC(PS_on)，通常是11 V。此85 W演示板采用双线连接时测得的数据显示：115 Vac时，NCP1937在省电模式能耗仅为4.82 mW；265 Vac时，NCP1937在省电模式下的能耗为8.68 mW。


图5：进入省电模式(PSM)的波形

值得一提的是，为了符合安规，AC-DC电源必须在插头从交流插座拨出后小于1秒时间内完成自动对EMI输入滤波器X2电容放电。为了符合此要求，通常使用一串高阻抗电阻与电容并联。但这电阻链消耗约25 mW的输入功率，在空载条件下这25 mW尤为刺眼。为了有效地给X2电容放电，同时降低空载能耗，安森美半导体的方案是通过内部开关来检测交流连接状况并给电容放电，节省空载能耗。NCP1937给X2电容放电的步骤是：

1)    检测到移除交流电压(拨出AC插头)时，BOX2及HVX2引脚上的电压变为静态。额定的95 ms定时器计时必须用完，以使控制IC通报交流电压已移除。通报交流线路移除时驱动脉冲停止。
2)    Vcc电压由内部下拉电流源(额定电流11.5 mA)放电至Vcc(off)阈值。
3)    一旦Vcc被下拉至Vcc(off)，启动电流源以额定3.75 mA电流导通，并将X2电容中存储的电荷传输至Vcc电容。

根据VCC电容与X2电容的相对尺寸大小 ，有可能使Vcc电压到达Vcc(on)阈值并重启控制器。然后必须再次检测到移除交流线路。


图6：NCP1937通过检测交流条件来给X2电容放电，节省空载能耗

NCP1937也能在较高负载条件下提供优异的功率因数。测试显示，此85 W演示板在115 Vac条件下50%、75%和100%负载时的功率因数分别达0.978、0.984和0.985；在230 Vac条件下75%和100%负载时的功率因数分别达0.943和0.956。

小结：    

安森美半导体的NCP1937组合控制器集成了PFC控制器和准谐振反激控制器，是一款高能效、低待机能耗(可低于10 mW)的方案，适合75 W以上功率的电源应用，如笔记本及台式一体机电源适配器。本文介绍了NCP1937的关键特性以及基于NCP1937开发的85 W电源适配器演示板能效测试结果，阐释了部分关键功能的工作原理，帮助设计人员更好了解这组合控制器的特性及优势，以开发高能效、低待机能耗的75 W以上电源方案。

参考资料：
1.    《利用NCP1937组合控制器设计低待机能耗电源》网上研讨会演讲PPT，seminar.eccn.com/130819，安森美半导体
2.    NCP1937数据表，www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1937-D.PDF，安森美半导体
3.    “待机能耗低于10 mW的高能效PFC及准谐振适配器电源方案”，www.onsemi.com/pub_link/Collateral/DN05044-D.PDF，安森美半导体

供稿：安森美半导体