高能效、小外形的240W電源適配器參考設(shè)計(jì)

電源適配器的發(fā)展趨勢是高頻高密度及小型化，為了滿足散熱的要求，高效率是最重要的指標(biāo)之一，所以對于數(shù)百瓦的電源方案圖騰柱PFC及LLC架構(gòu)是目前最好的選擇。安森美(onsemi)最新推出的240 W圖騰柱PFC配合最新的電流模式LLC控制器所做的48V5A參考設(shè)計(jì)(圖1)，在230Vac和48V輸出條件下，四點(diǎn)平均能效達(dá)到94.76%，在230Vac和48V5A時(shí)，效率高達(dá)96.5%, 待機(jī)功耗在300mW以下，且PCBA尺寸僅89mm x 53mm x 21 mm，功率密度為39.7W/立方英寸，并且采用低成本的雙層PCB設(shè)計(jì)，是下一代PD3.1 EPR多口快充、工業(yè)通信電源、電動(dòng)工具快充等的理想選擇方案。

圖1：240W圖騰柱PFC配合高頻LLC控制器的超高密度電源適配器參考設(shè)計(jì)方案

該方案的PFC使用NCP1680 CRM模式，具有谷底同步頻率反走的圖騰柱PFC控制器，配合2只65mohm的SJ FET和2只50mohm的drive GaN，組成高效的PFC電路（圖2），在90Vac和滿載情況下PFC的效率高達(dá)97%, 在后級輕載模式下PFC自動(dòng)進(jìn)入間歇工作模式以降低開關(guān)損耗。

圖2：240W圖騰柱PFC電路原理圖

PWM部分使用安森美的NCP13994高頻電流模式LLC 控制器及2只75mohm的drive GaN組成。同步整流控制器使用兩只NCP4306獨(dú)立控制每一路輸出，使得layout非常簡單合理，輸出整流采用120V,4mohm的SJ FET FDMS4D0N12C（圖3）。

提高工作頻率可縮小電源尺寸，該LLC設(shè)計(jì)的諧振頻率在200KHz左右，在PFC輸出為390V、輸出滿載的情況下，LLC實(shí)際工作頻率達(dá)~175 KHz。為了提高LLC輕載的效率，LLC被設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)skip模式下工作，并且skip in和skip out的負(fù)載點(diǎn)可以通過兩個(gè)外部電阻任意設(shè)定。 LLC的brown out功能是通過PFC OK端子產(chǎn)生的對應(yīng)于PFC輸出的電流源產(chǎn)生的電壓，再通過VBULK腳的外部分壓電阻來任意設(shè)定，由于PFCOK的最高輸出電壓只有5V，所以這個(gè)外部的分壓電阻產(chǎn)生的損耗可以或略不計(jì)。

PFC和LLC的啟動(dòng)電壓都是通過LLC的高壓恒流源來提供，由于PFC的啟動(dòng)電壓低（10V左右），所以當(dāng)LLC的高壓恒流源給VCC電容充電到PFC的Vcc_on電壓后PFC開始工作，PFC的輸出電壓開始上升，同時(shí)LLC的高壓恒流源繼續(xù)給Vcc電容充電, 在到達(dá)LLC的Vcc_on電壓以前PFC的輸出電壓達(dá)到正常值，PFCOK信號(hào)正常，VBULK電壓達(dá)到1V門限電壓以上，這時(shí)VCC電壓升到Vcc_on的開啟電壓后LLC開始工作， 整個(gè)啟動(dòng)工作完成進(jìn)入正常操作狀態(tài)。

變壓器初次級各有一個(gè)獨(dú)立的繞組經(jīng)全波整流后給初級及次級供電。由于次級同步整流IC的VCC電壓及參考基準(zhǔn)NCP431的電壓限制，為了降低不必要的損耗加上了次級的輔助供電繞組。

圖3：LLC部分DC-DC原理圖

能效測試

該方案在全電壓范圍段的輸入功率小于300mW, 待機(jī)功耗，48V下PF曲線及滿載能效曲線如下圖4。PFC的輸入電壓電流波形及LLC的輕載SKIP波形如圖5和圖6。

圖4：待機(jī)功耗和能效曲線

圖5：TPPFC的操作波形

圖6：LLC的SKIP波形

安全保護(hù)功能

該高頻高密度電源方案集成豐富的安全和保護(hù)功能，包括：過壓保護(hù)(OVP)、過流保護(hù)(OCP)、短路保護(hù)(SCP)、過溫保護(hù)、開環(huán)保護(hù)、X2電容放電等。

OVP和OTP保護(hù)可以通過LLC fault腳外部的穩(wěn)壓管及NTC來設(shè)定。OCP及SCP可以通過LLC的CS腳的電流取樣電路來設(shè)定，開環(huán)保護(hù)通過FB的最大電壓檢測來實(shí)現(xiàn)。

熱性能測試

由于非常高的效率，該方案在沒有加任何導(dǎo)熱材料及主動(dòng)散熱的情況下，靠自然散熱得到下列的熱成像圖（圖7），該熱成像圖是在滿載工作30分鐘后測得。

圖7：240W超高密度電源適配器參考設(shè)計(jì)熱成像