实现具有更高击穿电压和更低待机电流的离线辅助 PSU 电源装置
2020-11-19 13:55
作者：James Lee，安森美半导体照明市场营销部门经理
如今，对能源效率的需求影响着自动化的所有领域。这包括各种白色家电，它们是在家庭自动化概念与如今完全不同的时代构想出来的。几十年前，当我们开始依赖这些设备时，能源的经济和环境成本没有消费者便利性那么重要，但这种不平衡最近发生了改变，如今人们正在努力加以解决。
尽管制造商尽了最大努力，但许多白色家电仍旧常常需要大量能源才能实现自身功能，包括加热水或空气（电烧水壶、烤箱、淋浴器、洗衣机）、冷却空气或其他流体（冰箱）、对流加热（烤面包机和烤箱）或一般运动（洗衣机/烘干机和吸尘器的电动机）。在消费环境下，这些设备的能耗都差不多以 kW 计算，是业主最大的电力成本来源。
除此之外，越来越多的消费类设备采用越来越复杂的控制功能或用户界面。这些辅助功能本质上都是低功率应用，如传感器、显示屏和触控面板。从实质上讲，使用旨在提供高电流的电源来为这些辅助功能供电会使效率变得很低，尤其是当这些功能需要在未使用主要功率密集型功能的情况下工作时。这就提高了对辅助离线电源装置的需求，这种装置可以通过交流电源提供功率相对较低、不到 40W（典型值）的直流电源。
这样做的主要目标就是在待机期间也可以尽可能高效地提供电源。为实现这一目标，需要以最具成本、空间和能效优势的方式实现电源功能。
产品设计工程师还需要考虑白色家电的安全要求。就电源而言，这通常要求采用隔离式解决方案，但在某些情况下，相关规范要求的电气隔离水平可通过物理设计来实现。正因如此，市场对面向低功耗辅助离线电源应用空间的低功耗 SMPS 解决方案（隔离式和非隔离式）的需求不断增长。
完全集成的解决方案
随着半导体制造工艺向更高集成度和更稳健方向发展，这一总趋势使得器件制造商能够开发出单芯片解决方案来实现离线功率转换。通过将开关型 MOSFET 和控制电路集成至单个器件中，现在可以更加轻松地设计具有更高功率密度的开关型电源，从而提供出色的辅助电源，这类辅助电源不仅可以部署在白色家电的多个区域，而且还针对上文所述辅助功能所需的功率进行了优化。
根据具体的应用和功能，辅助电源所需提供的功率会有所不同，从不到 1W 到高达 70W 不等。安森美半导体在开发该应用领域的解决方案方面有着悠久的历史，并拥有广泛且不断增长的器件产品组合。
随着超低功耗辅助电源需求的增长，安森美半导体最近推出了 NCP1067x 系列高压开关。该系列开关专为采用非隔离式（图 1）或隔离式（图 2）设计的低功耗离线开关型电源而开发。它将控制器和功率 MOSFET 完全集成在一个 SOIC7 封装中，尺寸非常小巧。
虽然 NCP1067x 采用固定频率模式工作，但在负载下降时会自动切换至待机模式，以降低功耗，即采用空载间歇模式。尽管该器件采用自供电设计，即变压器上无需辅助绕组，但如果包含辅助绕组，则可用于实现自动恢复过压保护功能。此外，还可以通过基于时间的检测功能实现输出短路自动恢复保护。
由于采用了安森美半导体的超高压技术，NCP1067x 还搭载了一个 RDS(on)低至 12Ω 的集成式 700V 功率 MOSFET。在连接至 230V 交流电源的开放式框架配置中，开发人员可以实现能够提供 15.5W 的电源。为提高 EMI，NCP1067x 采用了频率抖动设计，即通过在标称开关频率上增加一个±6%的变量。用于应用抖动的扫描锯齿波形由器件内部生成。非隔离式设计采用了一个反馈引脚，该引脚将小部分的输出电压施加于集成式跨导放大器。
对更高击穿电压的需求不断增加
辅助电源设计的另一个关键趋势就是要求功率 MOSFET 上具有更高的击穿电压（即BVDS）。通常，这与晶体管的物理尺寸有关，也就是说击穿电压越大，所需的晶体管就越大。在许多情况下，这会导致解决方案尺寸过大和过于昂贵，不适合大多数目标应用。
大多数集成 MOSFET 的 SMPS 开关均采用平面工艺。为满足市场对尺寸和成本的限制要求，出现了具有 700V BVDS 的器件。不过，BVDS 越高，提供的电源浪涌和峰值电压保护能力就越大，因此终端产品就越稳健。为此，越来越多的公司推出具有更高 BVDS 但仍能提供低成本、小型 BoM 解决方案的开关。
为此，安森美半导体开发了一款开关模块，该模块集成了 SMPS 控制器和采用自身SUPERFET® 2超级结技术构建的功率 MOSFET，以便打造出能够提供 800V BVDS、同时又仍可采用双列直插式塑料封装的模块。这一革新产品系列首次为制造商提供了一种既可提高产品性能又能满足市场商业需求的可行解决方案。
FSL5x8 电流型开关系列采用 PDIP-7 封装，并包含 PWM 控制器和 SUPERFET 2 功率MOSFET。通常，实现 800V 击穿电压需要使用控制器和单独的分立式 MOSFET。然而，安森美半导体的 SUPERFET 2 技术成功将这两个器件集成至一个小型封装中。
这样，设计人员只需使用一个适用于隔离式（图 3）和非隔离式（图 4）反激设计的器件，就可以解决大约40W的高端低功耗离线辅助电源设计问题。
在 NCP1067x 和 FSL5x8 产品中，跨导放大器用作比较器，使设计人员能够更轻松地开发非隔离式反激电源，从而优化可用的电路板空间，并最大程度地降低 BoM。
当绝大多数低功耗离线 PSU 在反激模式下运行的情况下，安森美半导体的电源解决方案组合中新增了这两款产品，带来了新的益处，通过更高的集成度，实现更高的性能和可靠性，从而提高功率密度，降低 BoM 成本。
虽然所有非隔离式 PSU 设计都只能提供有限的供电功率，但本文概述的发展表明，可以为辅助 PSU 设计出一种适用于低端和高端低功耗离线 PSU 应用的开关。由于非隔离式反激转换器通常比隔离式转换器更加高效，所以也可以实现操作成本。
使用辅助离线 PSU 的主要目的就是为了减少终端产品消耗的待机电流。通过选用针对应用优化的高度集成器件，开发人员如今能够以更小的电路板空间和最低的 BoM 成本实现这一目标。
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