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作者: 发布时间:2011-07-06 来源: 繁体版
对于力求新颖别致的笔记本电脑而言,它应该外形纤薄,且越薄越好,当然,它的电源也应如此。但要以合理的成本设计出能够装入厚度不足15毫米的机壳中的电源非常具有挑战性。尽管笔记本电源必须满足所有标准规范,但在超薄型适配

对于力求新颖别致的笔记本电脑而言,它应该外形纤薄,且越薄越好,当然,它的电源也应如此。但要以合理的成本设计出能够装入厚度不足15毫米的机壳中的电源非常具有挑战性。尽管笔记本电源必须满足所有标准规范,但在超薄型适配器中并没有为体积较大的散热片或散热器预留空间。因此,为减少热量产生,电源应具有极高效率,且必须对其进行有效的散热设计。kVg自动化在线网
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本文介绍反激式转换器的一种创新设计方法,它通过先进的控制技术来提升所有功率水平的效率,并实现超低空载功耗。这种设计方法可使制造商以与标准“砖块式”笔记本适配器相当的成本生产出超薄笔记本适配器,同时这些超薄笔记本适配器的性能还超出了能源之星EPS v2.0的功率效率要求和其它全球性能效标准。kVg自动化在线网
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图1:典型的反激式转换器电路简图kVg自动化在线网

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TOPSwitch-HX在单个IC封装中集成了一个700V MOSFET、MOSFET栅极驱动和一个用户可选择限流点的PWM控制器。在使能状态下,控制器的振荡器在每个时钟周期开始时导通功率MOSFET。当电流达到限流点或达到反馈信号设置的占空比(PWM控制)时,MOSFET才会关断。PWM控制器关断MOSFET后,变压器绕组间的电压开始反向,输出二极管被正向偏置,电流开始流入次级绕组,从而补充输出电容中的电荷并将电流供应给负载。kVg自动化在线网
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PWM控制在高功率下可提供较高的效率,但当功率下降到中低水平时,效率将会随之降低。我们可以通过分析开关电源中损耗产生的原因来探究其中的缘由。电源中有两种基本损耗:电流流动产生的阻性损耗,以及电路中电感和电容负载产生的开关损耗。阻性损耗是电流均方根(RMS电流)的函数,因此,当功率水平较高时,阻性损耗就相当大。开关损耗与开关频率成比例。因此一般情况下,当功率较低时,将会出现开关损耗(随频率变化而变化),从而严重限制电源的效率。kVg自动化在线网
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通过将开关频率保持在较低水平,可以降低开关损耗,从而提高中低功率下的效率。不过,通过提高频率可以减小某些元件(如变压器、输出电容和后级LC滤波器等)的尺寸,这一点对于设计薄型笔记本适配器很有利。kVg自动化在线网
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集成在TOPSwitch-HX器件中的700V MOSFET采用特殊制造技术,能以132kHz频率进行开关,其总体损耗比以更低频率工作的其它同类MOSFET产品低得多。利用132kHz的开关能力,PI研发出一种名为SlimCore的薄型变压器架构,这样就可以在薄型笔记本适配器应用中采用低成本的线绕变压器。kVg自动化在线网
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为克服PWM控制常见的效率限制问题,PI在TOPSwitch中采用了包含四种工作模式的多模式PWM引擎,以优化所有功率水平下的开关频率和均方根(RMS)电流(图2)。kVg自动化在线网
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图 2:TOPSwitch多模式控制kVg自动化在线网

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在高负载条件下,TOPSwitch-HX控制器工作于全频PWM模式,此时用户既可使用尺寸较小的元件,又可实现高效率。随着负载的降低,控制器也降低频率,从而降低开关损耗。它先切换到变频模式,然后切换到频率较低的固定频率PWM模式。当负载极轻时,控制方式从PWM控制模式开始切换,并采用多周期调制控制算法。TOPSwitch-HX能根据经由光耦器馈入到控制引脚的反馈电流(图1),自动在各控制模式间切换。kVg自动化在线网
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在高负载条件下,全频PWM模式可实现高效率开关。开关频率选定为132kHz,这样能减小变压器尺寸,同时能使开关频率保持在150kHz步降开关以下,从而符合传导EMI标准。占空比与反馈到控制引脚的控制电流呈线性函数关系并随之减小。kVg自动化在线网
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随着输出负载的降低,TOPSwitch-HX控制将切换至变频模式(VFM)。在此模式下,功率MOSFET峰值漏极电流将保持不变,同时开关频率会从132kHz的初始全频(或66kHz,取决于用户的选择)下降到30kHz。占空比随着负载的降低而减小,这一过程通过延长开关脉冲之间的关断时间来完成。开关频率的降低导致开关损耗下降,并可在负载降低时维持电源效率恒定不变。kVg自动化在线网
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随着电源负载进一步降低和开关频率达到30kHz,TOPSwitch-HX将切换至固定低频PWM模式。在此模式下,通过调整MOSFET导通时间,可使开关频率保持在音频波段以上并维持输出稳压。开关频率保持恒定不变且占空比减小,工作方式与全频PWM模式相同,都通过缩短MOSFET导通时间来实现。峰值漏极电流从初始的最大值下降到最小值,即设定流限值的25%,这样可以在低功率时保持高效率,避免音频噪声问题。


超薄笔记本电脑电源适配器设计
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