高能效、小外形的240W电源适配器参考设计

作者：安森美半导体

电源适配器的发展趋势是高频高密度及小型化，为了满足散热的要求，高效率是最重要的指标之一，所以对于数百瓦的电源方案图腾柱PFC及LLC架构是目前最好的选择。安森美(onsemi)最新推出的240 W图腾柱PFC配合最新的电流模式LLC控制器所做的48V5A参考设计(图1)，在230Vac和48V输出条件下，四点平均能效达到94.76%，在230Vac和48V5A时，效率高达96.5%, 待机功耗在300mW以下，且PCBA尺寸仅89mm x 53mm x 21 mm，功率密度为39.7W/立方英寸，并且采用低成本的双层PCB设计，是下一代PD3.1 EPR多口快充、工业通信电源、电动工具快充等的理想选择方案。


图1：240W图腾柱PFC配合高频LLC控制器的超高密度电源适配器参考设计方案

该方案的PFC使用NCP1680 CRM模式，具有谷底同步频率反走的图腾柱PFC控制器，配合2只65mohm的SJ FET和2只50mohm的drive GaN，组成高效的PFC电路（图2），在90Vac和满载情况下PFC的效率高达97%, 在后级轻载模式下PFC自动进入间歇工作模式以降低开关损耗。


图2：240W图腾柱PFC电路原理图

PWM部分使用安森美的NCP13994高频电流模式LLC 控制器及2只75mohm的drive GaN组成。同步整流控制器使用两只NCP4306独立控制每一路输出，使得layout非常简单合理，输出整流采用120V,4mohm的SJ FET FDMS4D0N12C（图3）。

提高工作频率可缩小电源尺寸，该LLC设计的谐振频率在200KHz左右，在PFC输出为390V、输出满载的情况下，LLC实际工作频率达~175 KHz。为了提高LLC轻载的效率，LLC被设计在标准skip模式下工作，并且skip in和skip out的负载点可以通过两个外部电阻任意设定。 LLC的brown out功能是通过PFC OK端子产生的对应于PFC输出的电流源产生的电压，再通过VBULK脚的外部分压电阻来任意设定，由于PFCOK的最高输出电压只有5V，所以这个外部的分压电阻产生的损耗可以或略不计。

PFC和LLC的启动电压都是通过LLC的高压恒流源来提供，由于PFC的启动电压低（10V左右），所以当LLC的高压恒流源给VCC电容充电到PFC的Vcc_on电压后PFC开始工作，PFC的输出电压开始上升，同时LLC的高压恒流源继续给Vcc电容充电, 在到达LLC的Vcc_on电压以前PFC的输出电压达到正常值，PFCOK信号正常，VBULK电压达到1V门限电压以上，这时VCC电压升到Vcc_on的开启电压后LLC开始工作， 整个启动工作完成进入正常操作状态。

变压器初次级各有一个独立的绕组经全波整流后给初级及次级供电。由于次级同步整流IC的VCC电压及参考基准NCP431的电压限制，为了降低不必要的损耗加上了次级的辅助供电绕组。


图3：LLC部分DC-DC原理图

能效测试

该方案在全电压范围段的输入功率小于300mW, 待机功耗，48V下PF曲线及满载能效曲线如下图4。PFC的输入电压电流波形及LLC的轻载SKIP波形如图5和图6。                              



图4：待机功耗和能效曲线


图5：TPPFC的操作波形


图6：LLC的SKIP波形

安全保护功能

该高频高密度电源方案集成丰富的安全和保护功能，包括：过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)、过温保护、开环保护、X2电容放电等。

OVP和OTP保护可以通过LLC fault脚外部的稳压管及NTC来设定。OCP及SCP可以通过LLC的CS脚的电流取样电路来设定，开环保护通过FB的最大电压检测来实现。

热性能测试

由于非常高的效率，该方案在没有加任何导热材料及主动散热的情况下，靠自然散热得到下列的热成像图（图7），该热成像图是在满载工作30分钟后测得。


图7：240W超高密度电源适配器参考设计热成像