以PWM LD5520为例，探讨如何改善效率与可调式抖频功能

日前于2012年3月7日，美国能源部(DOE)对各种电子消费品以及商业和工业设备，修订更严格的新产品节能法规(Level 6)，包括电池充电器和外部电源（EPS）的节能标准；这个公告内容不仅呈现了第一个强制性的能效规范标准，也明显的加强和扩大目前外接电源供应器(EPSs)的最低能效要求范围。对于外接电源供应器和电池充电器系统将受到重大影响。本文在此特别提出通嘉科技新一代解决方案，LD5520适用于适配器电源设计，以不增加系统成本下，即可以符合最严峻的新能源法规(Level 6)。

首先分析新旧法规之差异，新的能效六(Level 6)提案与能效五(Level 5)公式比较表如下表一所示，需要更低之无负载功耗0.1W。另外再把这两个能源规范去细部比较，我们可以发现在输出功率小于36W以下，则需改善效率大于3%以上，这个是需要大幅变动系统组件或增加成本才能去改善效率的门槛；相反的当输出功率大于49W，则需改善大于1%效率，如表二所示。

表一：Ac-Dc External Power Supplies in Active Mode: Standard Models

表二：不同输出功率下能效的差异

接下来介绍使用LD5520解决方案应用于输出功率小于36W以下，如何改善效率与可调式抖频功能，系统电路途如图一所示。

图一：系统电路图

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为了提高系统效率，LD5520采用准谐振控制方式，准谐振控制方式用于返驰式转换器上系操作于电流不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)，其可有效降低电感量，主开关的类似零电压切换与输出二极管自然零电流切换特性，可提升整体电路之功率密度与减少功率组件之切换损失。此外，LD5520采用变频控制策略，能使开关达到波谷切换(Valleys Switching)，并搭配可调式抖频技术，亦能减少开关切换产生的电磁干扰(EMI)。成本低、体积小与低切换损之特点，使得准谐振返驰式转换器适用于输出功率小于36W之应用。

若将不连续导通模式之准谐振返驰式转换器输出功率提升至大于36W应用场合，随之增加的电感峰值电流是个重要的问题，不但会增加功率开关与输出二极管之电流应力，并且会增加电磁干扰滤波器设计之难度。此外，随着电感峰值电流增加之开关导通损失( Conduction Loss )与截止切换损失(Turn-Off Switching Loss)，亦会降低整体转换效率，并且增加电路体积与成本，所以超过此应用建议使用PWM LD5530之产品。

另外，当负载很小时，采用脉冲模式技术的返驰转换器就会进入磁滞模式，又称为省电模式或突发操作。脉冲省略技术能减少开关功耗，同时提高无负载和负载很小时的省电能力。

其准谐振操作原理如下说明：

电路会利用LC谐振执行ZVS切换，LC谐振则是由返驰变压器的初级线圈电感和初级端主要MOSFET开关两端的等效电容(CDS)所产生。MOSFET两端电压会在谐振切换过程下降，LD5520则会监控该电压降，并在图二所示的谷点让初级端开关导通。谷值电压有两种不同情形：

图二：准谐振控制和谷值电压切换。

其中N是变压器圈数比。在此情形下，反射回来的次级端电压足以让初级端VDS电压降为零。因此，只要初级端MOSFET两端的电压大于零，这个MOSFET就会导通。

在此情形下，反射回来的次级端电压不但不足以让VDS电压降为零，反而产生电压谷值。图二是准谐振返驰转换器的典型ZVS操作方式。它若能满足公式1的要求，谷值电压就会进一步变成零谷值。

公式3显示在特定的电容值下，只要减少电容两端的电压和所使用的开关频率，即可降低开关功率Psw。因为准谐振返驰转换器都是电流操作在不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)，系统在责任周期超过50%时，没有次斜波震荡问题，所以系统变压器可以拉高变压器的匝比，来使二次侧萧特基二极管降一级来满足新的能效六(Level 6)规范，如表三为输出24W与36W效率测试。

表三：为输出24W与36W效率测试

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可调式抖频技术 (Adjustable Swapping Frequency)

一般准谐振返驰式转换器都没有嵌入抖频技术来降低EMI AV值，通嘉科技推出LD5520可以改善客户EMI问题，并且可以搭配不同系统来调整抖频范围 (0%~±6%)。

1. 可调整式抖频之嵌入逻辑电路

公式4显示，可以利用电阻并联原理，来计算以FB PIN为中心对外的阻抗总和，当VCC冲到UVLO (ON)时，IC将会产生一个电流源大约为50μA。此状态LD5520将可以设定所要调整抖频范围，可调其范围与设定值如表三。

图三：可调整式抖频之嵌入逻辑电路

表四：抖频范围设定对照表

如图四所示，于输入电压为220VAC LINE测试传导性EMI，当系统设定抖频范围为±6%时，EMI AV值将可以大幅度改善10dB以上。

图四：抖频技术改善比较

结论

此篇文章探讨LD5520是一款SOT26小封装的IC，在24W与36W的平均效率表现，高达87.97%与87.2%的水准，提供电源设计人员在高效能上的一个解决方案。除此之外，LD5520在轻载功耗的表现，亦能满足小于100mW的要求。此IC全范围负载操作在准谐振模式，可以使效率大幅提升，并加入可调抖频功能，轻易解决各式系统EMI的问题。