用于反激式適配器的多功能PWM控制器FAN6754

　　EPS的核心是多功能PWM控制器集成電路(IC)(如飛兆半導(dǎo)體的FAN6754)以及功率 MOSFET，它們聯(lián)合工作，為負(fù)載高效分配能量，并監(jiān)控電路以保護(hù)系統(tǒng)。所有元器件都被集成在一個(gè)精簡(jiǎn)的封裝中，與過(guò)去那種看起來(lái)老舊笨重的電源成了強(qiáng)烈對(duì)比。

　　PWM控制器可被視為電源的大腦。它監(jiān)控反饋數(shù)據(jù)并調(diào)整占空比，以調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)的輸出電壓，幫助系統(tǒng)滿(mǎn)足所有相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

　　這種綠色模式PWM控制器可以提高效率，并增加了保護(hù)功能，將受到致力于滿(mǎn)足最新綠色功耗標(biāo)準(zhǔn)的工程師們所青睞。隨著全球?qū)?jié)能問(wèn)題的重點(diǎn)關(guān)注，監(jiān)管機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究所有 “綠色”方法，各種標(biāo)準(zhǔn)因而相繼被制定出來(lái)，規(guī)定筆記本電腦電源等產(chǎn)品必須擁有更高的效率。降低待機(jī)功耗和提高效率已成為眾多倡議的一項(xiàng)關(guān)鍵要素，比如美國(guó)的自愿性能源之星(ENERGY STAR)效率分級(jí)計(jì)劃，和歐盟及亞洲一些國(guó)家采用的強(qiáng)制性產(chǎn)品節(jié)能規(guī)范等。

　　譬如，ENERGY STAR EPS version 2.0要求的工作模式效率和更低的空載功耗比目前標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。該要求強(qiáng)制規(guī)定平均工作模式效率須至87%才能取得能源之星標(biāo)簽 (參見(jiàn)表1)。

　　ENERGY STAR v.2.0規(guī)范針對(duì)EPS的另一個(gè)規(guī)定是合格的AC-AC外部電源或AC-DC外部電源在空載條件下可使用的最大輸入功率。空載模式下的最大功耗級(jí)見(jiàn)表 2。

　　不論在成本上還是在技術(shù)方面，反激式拓?fù)涠家驯蛔C明是一種有效的解決方案，在筆記本電腦或膝上型電腦的AC-DC適配器和充電器中用脈寬調(diào)制(PWM)功率轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。飛兆半導(dǎo)體的FAN6754是一款高度集成化的綠色模式PWM控制器，能夠提供多項(xiàng)可增強(qiáng)反激式轉(zhuǎn)換器性能的出色功能，比如：HV啟動(dòng)系統(tǒng)(能承受700V)、可降低EMI的跳頻技術(shù)，以及更高的集成度以節(jié)省外接部件等。工程師使用這款控制器，可獲得比采用分立式元件的解決方案更高的可靠性和更低的BOM成本，以及更低的裝配成本。為了進(jìn)一步降低功耗，FAN6754采用了BiCMOS制造工藝，故能夠允許工作電流小于2mA (典型值為 1.7mA)。

　　FAN6754還有兩個(gè)實(shí)用的功能。與提高效率同等重要的是，該器件讓電源設(shè)計(jì)人員能夠以較少的外部部件，提供全方位的保護(hù)功能，從而降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。另外，保護(hù)功能對(duì)創(chuàng)建具成本效益的電源至關(guān)重要，因?yàn)槿魏瓮ㄟ^(guò)增大元件尺寸來(lái)處理過(guò)壓力問(wèn)題的需求，都會(huì)對(duì)成本和終端產(chǎn)品的物理參數(shù)產(chǎn)生不利影響。

　　FAN6754擁有眾多安全功能，如欠壓鎖定(UVLO)、過(guò)載保護(hù) (OLP)、過(guò)壓保護(hù)(OVP)、過(guò)流保護(hù)(OCP) 和過(guò)流限制(OCL)。這些功能與熱關(guān)斷模式(帶軟件式安全重啟功能)相結(jié)合，共同保護(hù)精密的電路。內(nèi)置8ms軟啟動(dòng)電路可大大減少啟動(dòng)電流尖峰和輸出電壓過(guò)沖現(xiàn)象。適當(dāng)利用這些保護(hù)和控制功能，設(shè)計(jì)人員就更有信心使設(shè)計(jì)更接近設(shè)計(jì)余量。

　　綠色模式工作

　　FAN6754 PWM控制器整合了不少靈活的設(shè)計(jì)特性，可降低筆記本電腦適配器的總體功耗。例如，為了把待機(jī)功耗降至最低，該器件采用了一項(xiàng)專(zhuān)有的綠色模式功能，其在輕載條件(如25%的負(fù)載)下可提供非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制(off-time modulation)來(lái)連續(xù)降低開(kāi)關(guān)頻率。由于SMPS中的大部分損耗都與PWM頻率成正比，故非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制能夠減小電源在輕載和空載條件下的功耗。以電壓反饋環(huán)路的反饋電壓VFB為參考值，一旦VFB低于閾值電壓，開(kāi)關(guān)頻率便會(huì)持續(xù)降低。

　　實(shí)現(xiàn)效率最大化的另一個(gè)關(guān)鍵因素是對(duì)固定基頻(以及倍數(shù)開(kāi)關(guān)頻率)下開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的EMI(電磁干擾)的控制，因?yàn)檫@種干擾會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生有害影響。飛兆半導(dǎo)體的FAN6754采用了跳頻技術(shù)(見(jiàn)圖1)，可以在更寬廣的頻率范圍上擴(kuò)展能量。采用這種辦法，可減小信號(hào)衰減，滿(mǎn)足 EN55022 (輻射和傳導(dǎo)放射歐盟標(biāo)準(zhǔn)) 和 CISPR 22 Class B (輻射和傳導(dǎo)放射國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))等國(guó)際規(guī)范。

　　利用這種技術(shù)，F(xiàn)AN6754以最少的濾波器且無(wú)需增加抑制元件即可降低峰值放射，從而盡量避免了這些器件造成的成本增加、空間占用和對(duì)寶貴能量的消耗。在這種專(zhuān)利技術(shù)(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7026851)中，頻率隨不同電容器之間的切換而變化。

　　降低開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)不良副作用是它可能產(chǎn)生噪聲(大多數(shù)開(kāi)關(guān)充電器都受開(kāi)關(guān)功能本身產(chǎn)生的噪聲之影響)。由于開(kāi)關(guān)的頻率隨輸出負(fù)載而變化，故開(kāi)關(guān)頻率可能下降至音頻頻帶，當(dāng)基頻在人耳聽(tīng)力范圍之內(nèi)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致可聞的噪聲。為了避免聲學(xué)噪聲問(wèn)題，最小的綠色模式PWM頻率設(shè)置為22KHz。

　　峰值電流模式PWM控制的另一個(gè)特性是電流控制環(huán)路可能變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致次諧波振蕩。為了防止這種情況的發(fā)生， 在FAN6754 PWM在占空比超過(guò)45%時(shí)，也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有45%以上的時(shí)間PWM開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，就會(huì)采用同步斜率補(bǔ)償(synchronized slope compensation)。

　　輕載條件下，飛兆半導(dǎo)體FAN6754進(jìn)入專(zhuān)有的綠色工作模式，提供非導(dǎo)通時(shí)間調(diào)制，以降低PWM頻率和工作電流(因?yàn)檩p載時(shí)的損耗以開(kāi)關(guān)損耗為主，這就可以把空載功耗降至最低)。為了把開(kāi)關(guān)損耗降至最小，F(xiàn)AN6754采用了一種周期跳步的Burst mode，亦即在待機(jī)工作模式下，電源開(kāi)關(guān)按照預(yù)定的頻率突發(fā)地導(dǎo)通/關(guān)斷。

　　在這里先進(jìn)一步解釋Burst mode：設(shè)想要滿(mǎn)足待機(jī)模式下的低功耗要求，輸出端應(yīng)只有極少乃至沒(méi)有負(fù)載電流。輸出電壓增加會(huì)造成反饋電壓下降;當(dāng)反饋電壓低于閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)便停止以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。根據(jù)負(fù)載電流情況，輸出電壓最終下降，導(dǎo)致反饋電壓增加。而一旦達(dá)到突發(fā)模式閾值，開(kāi)關(guān)便會(huì)再次啟動(dòng)。Burst Mode的“開(kāi)”和“關(guān)”閾值都是完全可設(shè)計(jì)的。

　　有了這些綠色工作模式，連同內(nèi)置非耗能700V啟動(dòng)電路和低靜態(tài)電流，65W/19V筆記本電腦適配器就可以滿(mǎn)足空載能耗100mW這類(lèi)嚴(yán)格的節(jié)能要求。

　　演示板結(jié)果

　　事實(shí)上，在115Vac/60Hz下，65W/19V 演示板上測(cè)得的FAN6754的平均效率為88.36% (規(guī)范要求為87%)，在 230Vac/50Hz下為 88.85%，超越了 EPA 4.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適配器在工作模式下的最小平均效率。在空載功耗方面，同樣是在65W/19V演示板上測(cè)試，測(cè)得88mW @264VAC (在60W/12V 演示板上測(cè)得為76mW @ 264VAC)。圖2示出與前代產(chǎn)品SG6742的比較。

　　比較可知，飛兆半導(dǎo)體的前代PWM控制器(SG6742)在115VAC下，在 60W/12V板上測(cè)得平均效率為86.66%，而FAN6754在相同條件下測(cè)得平均效率為87.51%。

　　而另一個(gè)便利設(shè)計(jì)人員的好處是，F(xiàn)AN6754與SG6742引腳完全兼容。眾多保護(hù)功能

　　FAN 6754內(nèi)置有大量全面的精確的保護(hù)功能，可保護(hù)電源和負(fù)載免受永久性損害。更好的是，設(shè)計(jì)人員無(wú)需增加外部元件或電路就可以使用這些功能，也就是說(shuō)不用增加成本就能提供系統(tǒng)可靠性。的確，設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)FAN6754擁有的保護(hù)功能為同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品之最，同時(shí)仍然滿(mǎn)足筆記本電腦空載功耗 90mW的要求。

　　FAN 6754的保護(hù)功能包括過(guò)低電壓保護(hù)(brown-out protection)、欠壓鎖定(UVLO)、過(guò)壓保護(hù) (OVP)、過(guò)載保護(hù) (OLP) 和過(guò)溫保護(hù)(OTP)。VDD 過(guò)壓保護(hù)(OVP)功能可防止反饋環(huán)路開(kāi)環(huán)等異常狀況造成的損害。當(dāng)VDD (電源電壓)因異常狀況超過(guò)24V時(shí)，PWM輸出將會(huì)關(guān)斷。VDD引腳上的電壓檢測(cè)器可確保芯片的功率足以驅(qū)動(dòng)MOSFET。

　　欠壓鎖定(UVLO)電路有兩個(gè)閾值，即導(dǎo)通和關(guān)斷閾值，分別內(nèi)固定為16.5V 和 9V。如果DC輸入電壓下降到UVLO的關(guān)斷閾值之下，PWM輸出將被禁用。當(dāng)超過(guò)UVLO導(dǎo)通閾值時(shí)，PWM控制器便會(huì)重新啟動(dòng)。

　　不同于以往的PWM控制器，F(xiàn)AN6754的HV引腳 (SOP-8 配置中的4引腳) 還能執(zhí)行AC欠壓保護(hù)功能。 采用一個(gè)快速二極管和啟動(dòng)電阻來(lái)對(duì)AC 線(xiàn)電壓進(jìn)行采樣(每180μS一次采樣，脈寬20μS)，每一個(gè)采樣周期峰值都被更新并存儲(chǔ)在寄存器中;這個(gè)峰值可用于欠壓和電流級(jí)限制調(diào)節(jié)。當(dāng)HV引腳上的電壓低于欠壓電壓時(shí)，PWM 輸出關(guān)斷。此外，HV引腳能夠進(jìn)行限流值調(diào)整，縮小整個(gè)AC電壓范圍上的過(guò)流保護(hù)(OCP) 容限。

　　FAN6754 還擴(kuò)大了采樣周期，以減小HV采樣的功耗。

　　飛兆半導(dǎo)體的綠色模式PWM控制器具有開(kāi)環(huán)分析和開(kāi)環(huán)保護(hù)(OLP)功能，在出現(xiàn)開(kāi)環(huán)或輸出短路故障時(shí)可確保系統(tǒng)的安全性。如果反饋電壓(FB)有超過(guò)56mS的時(shí)間大于5.2V，PWM脈沖即被禁用。PWM占空比由FB電壓和電流取樣來(lái)決定。

　　通過(guò)采用一個(gè)外部負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來(lái)感測(cè)外部系統(tǒng)的溫度，可實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)(OTP)功能。NTC熱敏電阻的阻抗隨溫度增加而下降，RT引腳上的電壓(VRT)相應(yīng)降低。如果VRT小于 1.035V，PWM在16mS后關(guān)斷。如果VRT 小于0.7V，PWM在185mS后關(guān)斷。