實(shí)現(xiàn)具有更高擊穿電壓和更低待機(jī)電流的離線輔助PSU電源裝置
發(fā)布時(shí)間:2020-12-01 來源:James Lee,安森美半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】如今,對(duì)能源效率的需求影響著自動(dòng)化的所有領(lǐng)域。這包括各種白色家電,它們是在家庭自動(dòng)化概念與如今完全不同的時(shí)代構(gòu)想出來的。幾十年前,當(dāng)我們開始依賴這些設(shè)備時(shí),能源的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本沒有消費(fèi)者便利性那么重要,但這種不平衡最近發(fā)生了改變,如今人們正在努力加以解決。
盡管制造商盡了最大努力,但許多白色家電仍舊常常需要大量能源才能實(shí)現(xiàn)自身功能,包括加熱水或空氣(電燒水壺、烤箱、淋浴器、洗衣機(jī))、冷卻空氣或其他流體(冰箱)、對(duì)流加熱(烤面包機(jī)和烤箱)或一般運(yùn)動(dòng)(洗衣機(jī)/烘干機(jī)和吸塵器的電動(dòng)機(jī))。在消費(fèi)環(huán)境下,這些設(shè)備的能耗都差不多以kW計(jì)算,是業(yè)主最大的電力成本來源。
除此之外,越來越多的消費(fèi)類設(shè)備采用越來越復(fù)雜的控制功能或用戶界面。這些輔助功能本質(zhì)上都是低功率應(yīng)用,如傳感器、顯示屏和觸控面板。從實(shí)質(zhì)上講,使用旨在提供高電流的電源來為這些輔助功能供電會(huì)使效率變得很低,尤其是當(dāng)這些功能需要在未使用主要功率密集型功能的情況下工作時(shí)。這就提高了對(duì)輔助離線電源裝置的需求,這種裝置可以通過交流電源提供功率相對(duì)較低、不到40W(典型值)的直流電源。
這樣做的主要目標(biāo)就是在待機(jī)期間也可以盡可能高效地提供電源。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要以最具成本、空間和能效優(yōu)勢(shì)的方式實(shí)現(xiàn)電源功能。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師還需要考慮白色家電的安全要求。就電源而言,這通常要求采用隔離式解決方案,但在某些情況下,相關(guān)規(guī)范要求的電氣隔離水平可通過物理設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。正因如此,市場對(duì)面向低功耗輔助離線電源應(yīng)用空間的低功耗SMPS解決方案(隔離式和非隔離式)的需求不斷增長。
完全集成的解決方案
隨著半導(dǎo)體制造工藝向更高集成度和更穩(wěn)健方向發(fā)展,這一總趨勢(shì)使得器件制造商能夠開發(fā)出單芯片解決方案來實(shí)現(xiàn)離線功率轉(zhuǎn)換。通過將開關(guān)型MOSFET和控制電路集成至單個(gè)器件中,現(xiàn)在可以更加輕松地設(shè)計(jì)具有更高功率密度的開關(guān)型電源,從而提供出色的輔助電源,這類輔助電源不僅可以部署在白色家電的多個(gè)區(qū)域,而且還針對(duì)上文所述輔助功能所需的功率進(jìn)行了優(yōu)化。
根據(jù)具體的應(yīng)用和功能,輔助電源所需提供的功率會(huì)有所不同,從不到1W到高達(dá)70W不等。安森美半導(dǎo)體在開發(fā)該應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案方面有著悠久的歷史,并擁有廣泛且不斷增長的器件產(chǎn)品組合。
隨著超低功耗輔助電源需求的增長,安森美半導(dǎo)體最近推出了NCP1067x系列高壓開關(guān)。該系列開關(guān)專為采用非隔離式(圖 1)或隔離式(圖 2)設(shè)計(jì)的低功耗離線開關(guān)型電源而開發(fā)。它將控制器和功率MOSFET完全集成在一個(gè)SOIC7封裝中,尺寸非常小巧。
雖然NCP1067x采用固定頻率模式工作,但在負(fù)載下降時(shí)會(huì)自動(dòng)切換至待機(jī)模式,以降低功耗,即采用空載間歇模式。盡管該器件采用自供電設(shè)計(jì),即變壓器上無需輔助繞組,但如果包含輔助繞組,則可用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)過壓保護(hù)功能。此外,還可以通過基于時(shí)間的檢測功能實(shí)現(xiàn)輸出短路自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)。
由于采用了安森美半導(dǎo)體的超高壓技術(shù),NCP1067x還搭載了一個(gè)RDS(on)低至12Ω的集成式700V功率MOSFET。在連接至230V交流電源的開放式框架配置中,開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)能夠提供15.5W的電源。為提高EMI,NCP1067x采用了頻率抖動(dòng)設(shè)計(jì),即通過在標(biāo)稱開關(guān)頻率上增加一個(gè)±6%的變量。用于應(yīng)用抖動(dòng)的掃描鋸齒波形由器件內(nèi)部生成。非隔離式設(shè)計(jì)采用了一個(gè)反饋引腳,該引腳將小部分的輸出電壓施加于集成式跨導(dǎo)放大器。
對(duì)更高擊穿電壓的需求不斷增加
輔助電源設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)就是要求功率MOSFET上具有更高的擊穿電壓(即BVDS)。通常,這與晶體管的物理尺寸有關(guān),也就是說擊穿電壓越大,所需的晶體管就越大。在許多情況下,這會(huì)導(dǎo)致解決方案尺寸過大和過于昂貴,不適合大多數(shù)目標(biāo)應(yīng)用。
大多數(shù)集成MOSFET的SMPS開關(guān)均采用平面工藝。為滿足市場對(duì)尺寸和成本的限制要求,出現(xiàn)了具有700V BVDS的器件。不過,BVDS越高,提供的電源浪涌和峰值電壓保護(hù)能力就越大,因此終端產(chǎn)品就越穩(wěn)健。為此,越來越多的公司推出具有更高BVDS但仍能提供低成本、小型BoM解決方案的開關(guān)。
為此,安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款開關(guān)模塊,該模塊集成了SMPS控制器和采用自身SUPERFET® 2超級(jí)結(jié)技術(shù)構(gòu)建的功率MOSFET,以便打造出能夠提供800V BVDS、同時(shí)又仍可采用雙列直插式塑料封裝的模塊。這一革新產(chǎn)品系列首次為制造商提供了一種既可提高產(chǎn)品性能又能滿足市場商業(yè)需求的可行解決方案。
FSL5x8電流型開關(guān)系列采用PDIP-7封裝,并包含PWM控制器和SUPERFET 2功率MOSFET。通常,實(shí)現(xiàn)800V擊穿電壓需要使用控制器和單獨(dú)的分立式MOSFET。然而,安森美半導(dǎo)體的SUPERFET 2技術(shù)成功將這兩個(gè)器件集成至一個(gè)小型封裝中。
這樣,設(shè)計(jì)人員只需使用一個(gè)適用于隔離式(圖 3)和非隔離式(圖 4)反激設(shè)計(jì)的器件,就可以解決大約40W的高端低功耗離線輔助電源設(shè)計(jì)問題。
在NCP1067x和FSL5x8產(chǎn)品中,跨導(dǎo)放大器用作比較器,使設(shè)計(jì)人員能夠更輕松地開發(fā)非隔離式反激電源,從而優(yōu)化可用的電路板空間,并最大程度地降低BoM。
當(dāng)絕大多數(shù)低功耗離線PSU在反激模式下運(yùn)行的情況下,安森美半導(dǎo)體的電源解決方案組合中新增了這兩款產(chǎn)品,帶來了新的益處,通過更高的集成度,實(shí)現(xiàn)更高的性能和可靠性,從而提高功率密度,降低BoM成本。
雖然所有非隔離式PSU設(shè)計(jì)都只能提供有限的供電功率,但本文概述的發(fā)展表明,可以為輔助PSU設(shè)計(jì)出一種適用于低端和高端低功耗離線PSU應(yīng)用的開關(guān)。由于非隔離式反激轉(zhuǎn)換器通常比隔離式轉(zhuǎn)換器更加高效,所以也可以實(shí)現(xiàn)操作成本。
使用輔助離線PSU的主要目的就是為了減少終端產(chǎn)品消耗的待機(jī)電流。通過選用針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的高度集成器件,開發(fā)人員如今能夠以更小的電路板空間和最低的BoM成本實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
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