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實現具有更高擊穿電壓和更低待機電流的離線輔助PSU電源裝置

2020年11月19日 14:16 次閲讀

作者:JamesLee,安森美半導體照明市場營銷部門經理

如今,對能源效率的需求影響着自動化的所有領域。這包括各種白色家電,它們是在家庭自動化概念與如今完全不同的時代構想出來的。幾十年前,當我們開始依賴這些設備時,能源的經濟和環境成本沒有消費者便利性那麼重要,但這種不平衡最近發生了改變,如今人們正在努力加以解決。

儘管製造商盡了最大努力,但許多白色家電仍舊常常需要大量能源才能實現自身功能,包括加熱水或空氣(電燒水壺、烤箱、淋浴器、洗衣機)、冷卻空氣或其他流體(冰箱)、對流加熱(烤麪包機和烤箱)或一般運動(洗衣機/烘乾機和吸塵器的電動機)。在消費環境下,這些設備的能耗都差不多以kW計算,是業主最大的電力成本來源。

除此之外,越來越多的消費類設備採用越來越複雜的控制功能或用户界面。這些輔助功能本質上都是低功率應用,如傳感器、顯示屏和觸控面板。從實質上講,使用旨在提供高電流的電源來為這些輔助功能供電會使效率變得很低,尤其是當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。這就提高了對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較低、不到40W(典型值)的直流電源。

這樣做的主要目標就是在待機期間也可以儘可能高效地提供電源。為實現這一目標,需要以最具成本、空間和能效優勢的方式實現電源功能。

產品設計工程師還需要考慮白色家電的安全要求。就電源而言,這通常要求採用隔離式解決方案,但在某些情況下,相關規範要求的電氣隔離水平可通過物理設計來實現。正因如此,市場對面向低功耗輔助離線電源應用空間的低功耗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

隨着半導體制造工藝向更高集成度和更穩健方向發展,這一總趨勢使得器件製造商能夠開發出單芯片解決方案來實現離線功率轉換。通過將開關MOSFET和控制電路集成至單個器件中,現在可以更加輕鬆地設計具有更高功率密度的開關型電源,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區域,而且還針對上文所述輔助功能所需的功率進行了優化。

根據具體的應用和功能,輔助電源所需提供的功率會有所不同,從不到1W到高達70W不等。安森美半導體在開發該應用領域的解決方案方面有着悠久的歷史,並擁有廣泛且不斷增長的器件產品組合。

隨着超低功耗輔助電源需求的增長,安森美半導體最近推出了NCP1067x系列高壓開關。該系列開關專為採用非隔離式(圖1)或隔離式(圖2)設計的低功耗離線開關型電源而開發。它將控制器和功率MOSFET完全集成在一個SOIC7封裝中,尺寸非常小巧。

實現具有更高擊穿電壓和更低待機電流的離線輔助PSU電源裝置

雖然NCP1067x採用固定頻率模式工作,但在負載下降時會自動切換至待機模式,以降低功耗,即採用空載間歇模式。儘管該器件採用自供電設計,即變壓器上無需輔助繞組,但如果包含輔助繞組,則可用於實現自動恢復過壓保護功能。此外,還可以通過基於時間的檢測功能實現輸出短路自動恢復保護。

由於採用了安森美半導體的超高壓技術,NCP1067x還搭載了一個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,開發人員可以實現能夠提供15.5W的電源。為提高EMI,NCP1067x採用了頻率抖動設計,即通過在標稱開關頻率上增加一個±6%的變量。用於應用抖動的掃描鋸齒波形由器件內部生成。非隔離式設計採用了一個反饋引腳,該引腳將小部分的輸出電壓施加於集成式跨導放大器

對更高擊穿電壓的需求不斷增加

輔助電源設計的另一個關鍵趨勢就是要求功率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,也就是説擊穿電壓越大,所需的晶體管就越大。在許多情況下,這會導致解決方案尺寸過大和過於昂貴,不適合大多數目標應用。

大多數集成MOSFET的SMPS開關均採用平面工藝。為滿足市場對尺寸和成本的限制要求,出現了具有700VBVDS的器件。不過,BVDS越高,提供的電源浪湧和峯值電壓保護能力就越大,因此終端產品就越穩健。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。

為此,安森美半導體開發了一款開關模塊,該模塊集成了SMPS控制器和採用自身SUPERFET®2超級結技術構建的功率MOSFET,以便打造出能夠提供800VBVDS、同時又仍可採用雙列直插式塑料封裝的模塊。這一革新產品系列首次為製造商提供了一種既可提高產品性能又能滿足市場商業需求的可行解決方案。

FSL5x8電流型開關係列採用PDIP-7封裝,幷包含PWM控制器和SUPERFET2功率MOSFET。通常,實現800V擊穿電壓需要使用控制器和單獨的分立式MOSFET。然而,安森美半導體的SUPERFET2技術成功將這兩個器件集成至一個小型封裝中。

這樣,設計人員只需使用一個適用於隔離式(圖3)和非隔離式(圖4)反激設計的器件,就可以解決大約40W的高端低功耗離線輔助電源設計問題。

實現具有更高擊穿電壓和更低待機電流的離線輔助PSU電源裝置

實現具有更高擊穿電壓和更低待機電流的離線輔助PSU電源裝置

在NCP1067x和FSL5x8產品中,跨導放大器用作比較器,使設計人員能夠更輕鬆地開發非隔離式反激電源,從而優化可用的電路板空間,並最大程度地降低BoM。

當絕大多數低功耗離線PSU在反激模式下運行的情況下,安森美半導體的電源解決方案組合中新增了這兩款產品,帶來了新的益處,通過更高的集成度,實現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設計都只能提供有限的供電功率,但本文概述的發展表明,可以為輔助PSU設計出一種適用於低端和高端低功耗離線PSU應用的開關。由於非隔離式反激轉換器通常比隔離式轉換器更加高效,所以也可以實現操作成本。

使用輔助離線PSU的主要目的就是為了減少終端產品消耗的待機電流。通過選用針對應用優化的高度集成器件,開發人員如今能夠以更小的電路板空間和最低的BoM成本實現這一目標。

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