设计绿色AC适配器，满足最新的功率需求

除了体积小型化、功率密度最大化外，AC适配器还必须满足或超出未来的节能标准和环保要求。本文介绍了飞兆半导体针对这些最新标准和要求，为降低AC适配器的功耗所做出的努力。

一直以来，功率管理业界都努力不懈地控制和降低手机等电子设备的功耗，寻找延长电池使用时间的方法。这种片面的关注常常忽略了另一方，即“墙壁电源”(如手机的AC适配器)的功率控制。

但最新的市场趋势和最新出台的法规，要求AC适配器等器件满足或超出未来的节能标准和环保要求，如美国环保署(EPA)用于单电压外部AC/DC电源的Energy Star(r)(能源之星)倡议。业界需要做出配合，确保电源设计符合标准、甚至得以提升。

除了在轻负载和满负载情况下高效工作外，AC适配器还应尽可能的小型化。最小的尺寸(及最大的功率密度)是由AC适配器“立方体”所能耗散的热量来决定的，并需要维持合理的环境温度。

图1：LTC3455的简化框图。

AC适配器的功耗

AC适配器以一定的效率将线路的电能传送给负载，如：

h = Pout/Pin = Pout/(Pout + Pd)

此处，h=效率、Pout=传送给负载的功率、Pin=从交流线路吸收的输入功率、Pd=AC适配器的内部功耗。

变换此方程式得到功耗与输出功率之间的关系：

Pd = Pout*(1-h)/h

从方程式2中，我们看到在适配器里，效率为80% 的开关稳压器的功耗相当于传输功率的25%，而效率为50% 的线性稳压器的功耗等于提供给负载的功率，即从交流线路所吸收的功率的一半。本示例中，线性稳压器在工作状态下消耗的功率是开关稳压器的四倍之多。因此，提供3W峰值功率的5V/620mA AC适配器，在开关模式下会在适配器壳体内消耗750mW的功率，而在线性模式下则消耗3W。

AC适配器的功率密度

AC适配器一般要求的壳体温度最大不得超过75℃。壳体温度的升高与功耗和环境温度(假设最大为45℃)成正比。密闭壳体内可消耗的热量由热传递和热辐射等热力学规律来决定。一个简单的塑料壳尺寸模型为：

V = h*w*l =0.5*1*2 = 1 Inch3

此处，h=高度、l=长度、w=壳的宽度，加上热源会通过ANSYS(基于无限元方法的热仿真器)进行分析。壳体因电源而生热，并获得壳体表面温度的变化曲线。第一级仿真表明，在壳体内需要消耗1W的功率来产生壳体表面的峰值温度，约74℃(环境温度45℃)。

因此，示例中的AC适配器可安放在这样的壳体中而不会产生过热，而线性稳压器则肯定会超出所允许的最高温度极限。

满负载工作

为了达到“能源之星”有源模式的效率标准，示例中3W AC适配器的效率必须高于60%。使用飞兆电源开关(FPSTM)FSD210离线功率转换器等开关稳压器，便能轻易达到或超越这个性能要求。该器件包含用于电流驱动和感应(最小击穿额定值为700V)的完全雪崩额定值、低导通电阻SenseFET横向DMOS晶体管(LDMOS)、以及电压模式PWM IC。这个组合可将外部元件数量减至最少，同时简化设计、降低目标“绿色模式”AC适配器应用的功耗和成本。此外，该器件还具有欠压锁定、前沿消隐及热关断等保护功能。

图1所示为使用此IC的AC适配器简化框图。线路电压通过二极管桥式整流器BR整流并施加于变压器T1的初级。在这种电压模式反馈结构下，当开关SW为ON时，电能存储在变压器中，并在开关处于OFF时将电能传递给负载，时钟频率为134kHz。输出电压通过KA431电压基准进行稳压，而光耦合器OC通过向初级(FOD2741共封装电压基准和光耦合器)提供隔离反馈而闭合控制回路。

无负载工作

为了满足“能源之星”的无负载标准，3W AC适配器的功耗应该小于0.5W。最新的设计可在无负载状态下达到低至0.1W的功耗。但是，传统及一般的解决方案都不能实现这种性能水平。在无负载状态下引起功耗的因素很多，包括IC功耗、snub网络(SNUB)、变压器和桥式整流器。所有与这些因素相关的损耗必须被大幅降低，以便将功耗限定的范围内。

无负载效率的目标，可通过使用FSD210功率开关等器件的突发工作模式来实现。通过选通时钟频率，并在轻负载条件下使其停止，该器件能够以134kHz的标称频率工作，但仅为短时间突发模式，且在周期的剩余部分转入“睡眠状态”。这样便可在无负载或轻负载运作时，有效将工作频率降低到几个kHz(约4kHz)。由于以上所列的损耗大多数随频率变化，突发模式可有效地减少各种损耗，使器件能轻易满足预期的无负载功耗要求。

图2：突发模式的电压与电流示意图。

我们的某个主要客户非常欣赏我们的AC适配器技术，但他们指出该技术还需要更大程度的功率最小化。

我们的AC适配器的性能基于固态、高压混合双极CMOS-DMOS(BCD)工艺。举例说，我们提供的高集成度、单片反激式(Flyback)结构能够减少构建AC适配器所需的元件数量，是别具成本效益的解决方案，即便与最低成本的非集成式方案相比也是如此。然而，现在的IC中并没有采取特别措施来实现轻负载或无负载操作。

对客户来说，在满负载工作情况下基本电压模式反激式结构刚好满足要求，但不符合无负载的需要。可以改用猝发工作模式来达到无负载的功耗目标。

在图2中Vo表示基准电压附近的输出电压变化；VFB表示进入/退出猝发模式的机制；Ids和Vds分别表示与DMOS集成功率晶体管相关的猝发电流和猝发电压。

我们同时引进了客户所需的其它功能，包括拓宽频谱或频率调制，以减小电磁干扰(EMI)。利用简单的电感器而非昂贵的AC输入模式扼流圈，在4ns内将时钟频率从130kHz调制到138kHz，便可将EMI减低至所限定的范围内。

IC内部加入的另一个独特功能是软启动，即在启动时慢慢升高输出电压的能力，避免由于输出储能电容器的充电而产生过大的电流峰值。

新一代的产品包括结构上的“延展”已快速引入硅片和线路板设计中，以配合客户的限期要求。我们的FPSTM Design Assistant是一项简单有效的软件工具，有助于加快整个设计过程。

总结

正确使用热能和电气设计技术，能完全满足AC适配器性能的新趋势和要求，即使在当今手机功率需求不断增长的情况下，这些融合器件也能提供所有可想象的数据语音和视频功能，同时满足日益严格的效率要求。如果设计采用了高效的开关结构，AC适配器就不会成为功率传输的瓶颈。

现代电子器件的小型化趋势及其数以亿美元计的市场空间，正推动着业界进行更有效率的设计，当前许多协议和计划的提出都证实了这一点。这些要求促进了技术的进步，超出传统的以成本主导(即减少器件的BOM(材料清单)的模式要求。本文介绍了飞兆半导体针对有效设计外部电源的最新标准和要求，为全力降低AC适配器的功耗所推出的解决方案。

展望未来，这些需求将从无负载工作逐步拓展到满负载工作，并且要求更新及更精巧的解决方案。

作者：Reno Rossetti

计算和超便携产品企业战略总监

飞兆半导体