中心議題：

• 反激式轉換器的創新設計方法
• TOPSwitch-HX控製器具體應用

解決方案：

• 使用TOPSwitch-HX控製器對電能轉換多模式控製
• 以132kHz頻率進行開關降低損耗
• 調整MOSFET導通時間來控製輸出電壓

對dui於yu力li求qiu新xin穎ying別bie致zhi的de筆bi記ji本ben電dian腦nao而er言yan，它ta應ying該gai外wai形xing纖xian薄bo，且qie越yue薄bo越yue好hao，當dang然ran
，它ta的de電dian源yuan也ye應ying如ru此ci。但dan要yao以yi合he理li的de成cheng本ben設she計ji出chu能neng夠gou裝zhuang入ru厚hou度du不bu足zu15haomidejikezhongdedianyuanfeichangjuyoutiaozhanxing。jinguanbijibendianyuanbixumanzusuoyoubiaozhunguifan，danzaichaoboxingshipeiqizhongbingmeiyouweitijijiaodadesanrepianhuosanreqiyuliukongjian。yinci，weijianshaoreliangchansheng
，dianyuanyingjuyoujigaoxiaolv
，qiebixuduiqijinxingyouxiaodesanresheji。

本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)反(fan)激(ji)式(shi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)一(yi)種(zhong)創(chuang)新(xin)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)，它(ta)通(tong)過(guo)先(xian)進(jin)的(de)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)來(lai)提(ti)升(sheng)所(suo)有(you)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)的(de)效(xiao)率(lv)，並(bing)實(shi)現(xian)超(chao)低(di)空(kong)載(zai)功(gong)耗(hao)。這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)可(ke)使(shi)製(zhi)造(zao)商(shang)以(yi)與(yu)標(biao)準(zhun)“磚塊式”筆記本適配器相當的成本生產出超薄筆記本適配器，同時這些超薄筆記本適配器的性能還超出了能源之星EPSv2.0的功率效率要求和其它全球性能效標準。
                              
                                                         圖1：典型的反激式轉換器電路簡圖
TOPSwitch-HX在單個IC封裝中集成了一個700VMOSFET

、MOSFET柵極驅動和一個用戶可選擇限流點的PWM控製器。在使能狀態下，控製器的振蕩器在每個時鍾周期開始時導通功率MOSFET。當電流達到限流點或達到反饋信號設置的占空比(PWM控製)時

，MOSFET才會關斷。PWM控製器關斷MOSFET後hou，變bian壓ya器qi繞rao組zu間jian的de電dian壓ya開kai始shi反fan向xiang，輸shu出chu二er極ji管guan被bei正zheng向xiang偏pian置zhi，電dian流liu開kai始shi流liu入ru次ci級ji繞rao組zu，從cong而er補bu充chong輸shu出chu電dian容rong中zhong的de電dian荷he並bing將jiang電dian流liu供gong應ying給gei負fu載zai。

PWM控(kong)製(zhi)在(zai)高(gao)功(gong)率(lv)下(xia)可(ke)提(ti)供(gong)較(jiao)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)
，但(dan)當(dang)功(gong)率(lv)下(xia)降(jiang)到(dao)中(zhong)低(di)水(shui)平(ping)時(shi)，效(xiao)率(lv)將(jiang)會(hui)隨(sui)之(zhi)降(jiang)低(di)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)損(sun)耗(hao)產(chan)生(sheng)的(de)原(yuan)因(yin)來(lai)探(tan)究(jiu)其(qi)中(zhong)的(de)緣(yuan)由(you)。電(dian)源(yuan)中(zhong)有(you)兩(liang)種(zhong)基(ji)本(ben)損(sun)耗(hao)：電流流動產生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負載產生的開關損耗。

阻性損耗是電流均方根(RMS電流)dehanshu，yinci，danggonglvshuipingjiaogaoshi
，zuxingsunhaojiuxiangdangda。kaiguansunhaoyukaiguanpinlvchengbili。yinciyibanqingkuangxia
，danggonglvjiaodishi，jianghuichuxiankaiguansunhao(隨頻率變化而變化)，從而嚴重限製電源的效率。

通過將開關頻率保持在較低水平，可以降低開關損耗，從而提高中低功率下的效率。不過，通過提高頻率可以減小某些元件(如變壓器、輸出電容和後級LC濾波器等)的尺寸，這一點對於設計薄型筆記本適配器很有利。

集成在TOPSwitch-HX器件中的700VMOSFET采用特殊製造技術
，能以132kHz頻率進行開關，其總體損耗比以更低頻率工作的其它同類MOSFET產品低得多。利用132kHz的開關能力
，PI研發出一種名為SlimCore的薄型變壓器架構
，這樣就可以在薄型筆記本適配器應用中采用低成本的線繞變壓器。

為克服PWM控製常見的效率限製問題，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎，以優化所有功率水平下的開關頻率和均方根(RMS)電流(圖2)。[page]
                             
                                                     圖2：TOPSwitch多模式控製
在高負載條件下
，TOPSwitch-HX控製器工作於全頻PWM模(mo)式(shi)，此(ci)時(shi)用(yong)戶(hu)既(ji)可(ke)使(shi)用(yong)尺(chi)寸(cun)較(jiao)小(xiao)的(de)元(yuan)件(jian)
，又(you)可(ke)實(shi)現(xian)高(gao)效(xiao)率(lv)。隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)的(de)降(jiang)低(di)
，控(kong)製(zhi)器(qi)也(ye)降(jiang)低(di)頻(pin)率(lv)

，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。它(ta)先(xian)切(qie)換(huan)到(dao)變(bian)頻(pin)模(mo)式(shi)，然(ran)後(hou)切(qie)換(huan)到(dao)頻(pin)率(lv)較(jiao)低(di)的(de)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)PWM模式。當負載極輕時，控製方式從PWM控製模式開始切換，並采用多周期調製控製算法。TOPSwitch-HX能根據經由光耦器饋入到控製引腳的反饋電流(圖1)，自動在各控製模式間切換。

在高負載條件下，全頻PWM模式可實現高效率開關。開關頻率選定為132kHz
，這樣能減小變壓器尺寸
，同時能使開關頻率保持在150kHz步降開關以下，從而符合傳導EMI標準。占空比與反饋到控製引腳的控製電流呈線性函數關係並隨之減小。

隨著輸出負載的降低
，TOPSwitch-HX控製將切換至變頻模式(VFM)。在此模式下，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時開關頻率會從132kHz的初始全頻(或66kHz
，取決於用戶的選擇)下降到30kHz。zhankongbisuizhefuzaidejiangdierjianxiao，zheyiguochengtongguoyanchangkaiguanmaichongzhijiandeguanduanshijianlaiwancheng。kaiguanpinlvdejiangdidaozhikaiguansunhaoxiajiang
，bingkezaifuzaijiangdishiweichidianyuanxiaolvhengdingbubian。

隨著電源負載進一步降低和開關頻率達到30kHz
，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式。在此模式下，通過調整MOSFET導通時間，可使開關頻率保持在音頻波段以上並維持輸出穩壓。開關頻率保持恒定不變且占空比減小，工作方式與全頻PWM模式相同
，都通過縮短MOSFET導通時間來實現。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值
，即設定流限值的25%
，這樣可以在低功率時保持高效率
，避免音頻噪聲問題。

TOPSwitch-HX進入其最後的工作模式

，即多周期調製模式
，以支持超低負載要求。當峰值漏極電流降到設定流限值的25%時
，控製器便會切換到多周期調製模式。在此模式下
，每當根據回路要求傳導能量時，功率MOSFET將以30kHz的開關頻率開關，且至少持續135μs。這將產生一組至少四到五個的開關脈衝
，這些脈衝的峰值初級電流固定為設定流限值的25%，且不受控製環路的影響。

135μs的強製性最小開關時間過後，控製器將以逐周期的方式對來自環路的反饋信號作出反應。隨後MOSFET關guan斷duan
，直zhi至zhi控kong製zhi引yin腳jiao電dian流liu降jiang到dao預yu設she值zhi以yi下xia。這zhe種zhong工gong作zuo模mo式shi可ke使shi與yu峰feng值zhi漏lou極ji電dian流liu成cheng比bi例li的de變bian壓ya器qi磁ci通tong密mi度du減jian小xiao，繼ji而er將jiang變bian壓ya器qi發fa出chu的de音yin頻pin噪zao音yin降jiang至zhi最zui低di，同tong時shi還hai可ke以yi避bi免mian6kHz到15kHz之間的開關頻率。常采用的反激式轉換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介於此頻率範圍內。
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多duo周zhou期qi調tiao製zhi功gong能neng可ke有you效xiao地di將jiang每mei個ge平ping均jun開kai關guan頻pin率lv控kong製zhi在zai所suo需xu的de音yin頻pin範fan圍wei內nei，保bao持chi輸shu出chu穩wen壓ya，同tong時shi避bi免mian出chu現xian前qian麵mian提ti到dao的de磁ci芯xin自zi諧xie振zhen頻pin率lv。因yin此ci，與yu更geng為wei傳chuan統tong的de突tu發fa工gong作zuo模mo式shi不bu同tong的de是shi，多duo周zhou期qi調tiao製zhi能neng確que保bao音yin頻pin噪zao音yin得de到dao有you效xiao抑yi製zhi，同tong時shi還hai可ke提ti高gao工gong作zuo效xiao率lv。

上shang述shu控kong製zhi模mo式shi為wei電dian源yuan設she計ji師shi提ti供gong了le內nei置zhi的de設she計ji方fang法fa。該gai方fang法fa可ke在zai整zheng個ge功gong率lv範fan圍wei內nei實shi現xian高gao效xiao率lv

，但dan對dui設she計ji師shi而er言yan，仍reng還hai有you許xu多duo工gong作zuo要yao做zuo。電dian源yuan設she計ji必bi須xu要yao安an全quan地di解jie決jue所suo有you故gu障zhang情qing況kuang和he最zui差cha情qing況kuang下xia的de元yuan件jian容rong差cha問wen題ti。在zai以yi非fei連lian續xu導dao通tong模mo式shi(DCM)工作的反激式轉換器中，輸出到負載的功率與開關頻率
、變壓器初級電感量以及峰值電流平方均成比例。

因(yin)此(ci)，這(zhe)三(san)個(ge)參(can)數(shu)的(de)微(wei)小(xiao)變(bian)化(hua)便(bian)可(ke)導(dao)致(zhi)過(guo)載(zai)電(dian)流(liu)遠(yuan)遠(yuan)超(chao)出(chu)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)額(e)定(ding)輸(shu)出(chu)值(zhi)。為(wei)構(gou)建(jian)能(neng)經(jing)受(shou)此(ci)類(lei)故(gu)障(zhang)的(de)電(dian)源(yuan)
，就(jiu)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)較(jiao)大(da)的(de)元(yuan)件(jian)

，但(dan)這(zhe)卻(que)會(hui)給(gei)薄(bo)型(xing)筆(bi)記(ji)本(ben)適(shi)配(pei)器(qi)設(she)計(ji)帶(dai)來(lai)空(kong)間(jian)和(he)散(san)熱(re)兩(liang)大(da)難(nan)題(ti)。

TOPSwitch-HX已解決了上述難題。TOPSwitch-HX引(yin)入(ru)額(e)外(wai)的(de)電(dian)路(lu)，並(bing)在(zai)最(zui)終(zhong)測(ce)試(shi)中(zhong)采(cai)用(yong)參(can)數(shu)調(tiao)整(zheng)技(ji)術(shu)
，以(yi)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)與(yu)流(liu)限(xian)值(zhi)平(ping)方(fang)的(de)乘(cheng)積(ji)的(de)最(zui)大(da)值(zhi)和(he)最(zui)小(xiao)值(zhi)，這(zhe)在(zai)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)用(yong)一(yi)個(ge)新(xin)的(de)參(can)數(shu)來(lai)表(biao)征(zheng)，即(ji)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)(I2f)。

在圖3中
，對TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch-GX(無I2f調整)的工作區域進行了比較。去除特性曲線的左下方區域(I2f=0.81)

，TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過變壓器傳導的最小能量。這樣，使用一個初級繞組電感低於先前要求的大約9%的變壓器

，即足以在最差情況下提供指定的輸出電流。

去除右上方區域(I2f=1.21)可降低最大過載功率
，同樣，使用一個初級繞組電感低於先前要求的大約9%的變壓器也可以實現這一點
，從而降低電路中許多元件的最大功率要求。在TOPSwitch-HX中引入I2f調tiao整zheng技ji術shu

，是shi設she計ji薄bo型xing筆bi記ji本ben適shi配pei器qi的de關guan鍵jian促cu成cheng因yin素su。該gai技ji術shu可ke在zai給gei定ding設she計ji中zhong使shi給gei定ding的de變bian壓ya器qi磁ci芯xin尺chi寸cun提ti供gong更geng多duo功gong率lv輸shu出chu

，使shi過guo載zai功gong率lv與yu額e定ding功gong率lv的de比bi率lv大da幅fu降jiang低di，並bing使shi導dao通tong損sun耗hao更geng小xiao。
                         
                                                              圖3：功率因數的影響
集成多模式控製及I2f調整功能的TOPSwitch-HX器件
，13.5mm的淨空高度可容納整個電源，而製造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當。該設計的平均功率效率大於87%，超出了能源之星EPSv2.0的要求。當采用交流230V輸入時，電路空載功耗可降到300mW以下
，遠遠低於能源之星所允許的500mW空載功耗。

綜上所述，采用TOPSwitch-HXdechaoboxingbijibenshipeiqibuzaianggui。suoyoubijibenshipeiqidoukeyicaiyongzhezhongfangshijinxingshejihezhizao，jijieshengcailiaoyoujieyuenenghao。chaoboxingbijibenshipeiqikejieshenggonglvhechengben。