對于力求新穎別致的筆記本電腦而言,，它應(yīng)該外形纖薄，且越薄越好,，當(dāng)然,，它的電源也應(yīng)如此。但要以合理的成本設(shè)計出能夠裝入厚度不足15毫米的機殼中的電源非常具有挑戰(zhàn)性,。盡管筆記本電源必須滿足所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,，但在超薄型適配器" target="_blank">適配器中并沒有為體積較大的散熱片或散熱器預(yù)留空間。因此,，為減少熱量產(chǎn)生,，電源應(yīng)具有極高效率，且必須對其進(jìn)行有效的散熱設(shè)計,。

本文介紹反激式轉(zhuǎn)換器的一種創(chuàng)新設(shè)計方法,，它通過先進(jìn)的控制技術(shù)來提升所有功率水平的效率，并實現(xiàn)超低空載功耗,。這種設(shè)計方法可使制造商以與標(biāo)準(zhǔn)“磚塊式”筆記本適配器相當(dāng)?shù)某杀旧a(chǎn)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EPS v2.0的功率效率要求和其它全球性能效標(biāo)準(zhǔn)。
 

TOPSwitch-HX在單個IC封裝中集成了一個700V MOSFET,、MOSFET柵極驅(qū)動和一個用戶可選擇限流點的PWM控制器,。在使能狀態(tài)下，控制器的振蕩器在每個時鐘周期開始時導(dǎo)通功率MOSFET,。當(dāng)電流達(dá)到限流點或達(dá)到反饋信號設(shè)置的占空比(PWM控制)時,，MOSFET才會關(guān)斷。PWM控制器關(guān)斷MOSFET后,，變壓器繞組間的電壓開始反向,，輸出二極管被正向偏置，電流開始流入次級繞組,，從而補充輸出電容中的電荷并將電流供應(yīng)給負(fù)載,。

PWM控制在高功率下可提供較高的效率，但當(dāng)功率下降到中低水平時,，效率將會隨之降低,。我們可以通過分析開關(guān)電源中損耗產(chǎn)生的原因來探究其中的緣由,。電源中有兩種基本損耗：電流流動產(chǎn)生的阻性損耗，以及電路中電感和電容負(fù)載產(chǎn)生的開關(guān)損耗,。阻性損耗是電流均方根(RMS電流)的函數(shù),，因此，當(dāng)功率水平較高時,，阻性損耗就相當(dāng)大,。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成比例。因此一般情況下,，當(dāng)功率較低時，將會出現(xiàn)開關(guān)損耗(隨頻率變化而變化),，從而嚴(yán)重限制電源的效率,。

通過將開關(guān)頻率保持在較低水平，可以降低開關(guān)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,、輸出電容和后級LC濾波器等)的尺寸,，這一點對于設(shè)計薄型筆記本適配器很有利。

集成在TOPSwitch-HX器件中的700V MOSFET采用特殊制造技術(shù),，能以132kHz頻率進(jìn)行開關(guān),，其總體損耗比以更低頻率工作的其它同類MOSFET產(chǎn)品低得多。利用132kHz的開關(guān)能力,，PI研發(fā)出一種名為SlimCore的薄型變壓器架構(gòu),，這樣就可以在薄型筆記本適配器應(yīng)用中采用低成本的線繞變壓器。

為克服PWM控制常見的效率限制問題,，PI在TOPSwitch中采用了包含四種工作模式的多模式PWM引擎,，以優(yōu)化所有功率水平下的開關(guān)頻率和均方根(RMS)電流(圖2)。
 

在高負(fù)載條件下,，TOPSwitch-HX控制器工作于全頻PWM模式,，此時用戶既可使用尺寸較小的元件，又可實現(xiàn)高效率,。隨著負(fù)載的降低,，控制器也降低頻率，從而降低開關(guān)損耗,。它先切換到變頻模式,，然后切換到頻率較低的固定頻率PWM模式。當(dāng)負(fù)載極輕時,，控制方式從PWM控制模式開始切換,，并采用多周期調(diào)制控制算法,。TOPSwitch-HX能根據(jù)經(jīng)由光耦器饋入到控制引腳的反饋電流(圖1)，自動在各控制模式間切換,。

在高負(fù)載條件下,，全頻PWM模式可實現(xiàn)高效率開關(guān)。開關(guān)頻率選定為132kHz,，這樣能減小變壓器尺寸,，同時能使開關(guān)頻率保持在150kHz步降開關(guān)以下，從而符合傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn),。占空比與反饋到控制引腳的控制電流呈線性函數(shù)關(guān)系并隨之減小,。

隨著輸出負(fù)載的降低，TOPSwitch-HX控制將切換至變頻模式(VFM),。在此模式下,，功率MOSFET峰值漏極電流將保持不變，同時開關(guān)頻率會從132kHz的初始全頻(或66kHz,，取決于用戶的選擇)下降到30kHz,。占空比隨著負(fù)載的降低而減小，這一過程通過延長開關(guān)脈沖之間的關(guān)斷時間來完成,。開關(guān)頻率的降低導(dǎo)致開關(guān)損耗下降,，并可在負(fù)載降低時維持電源效率恒定不變。

隨著電源負(fù)載進(jìn)一步降低和開關(guān)頻率達(dá)到30kHz,，TOPSwitch-HX將切換至固定低頻PWM模式,。在此模式下，通過調(diào)整MOSFET導(dǎo)通時間,，可使開關(guān)頻率保持在音頻波段以上并維持輸出穩(wěn)壓,。開關(guān)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(dǎo)通時間來實現(xiàn),。峰值漏極電流從初始的最大值下降到最小值，即設(shè)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(jìn)入其最后的工作模式,，即多周期調(diào)制模式,，以支持超低負(fù)載要求。當(dāng)峰值漏極電流降到設(shè)定流限值的25%時,，控制器便會切換到多周期調(diào)制模式,。在此模式下，每當(dāng)根據(jù)回路要求傳導(dǎo)能量時，功率MOSFET將以30kHz的開關(guān)頻率開關(guān),，且至少持續(xù)135μs,。這將產(chǎn)生一組至少四到五個的開關(guān)脈沖，這些脈沖的峰值初級電流固定為設(shè)定流限值的25%,，且不受控制環(huán)路的影響,。135μs的強制性最小開關(guān)時間過后，控制器將以逐周期的方式對來自環(huán)路的反饋信號作出反應(yīng),。隨后MOSFET關(guān)斷,，直至控制引腳電流降到預(yù)設(shè)值以下。這種工作模式可使與峰值漏極電流成比例的變壓器磁通密度減小,，繼而將變壓器發(fā)出的音頻噪音降至最低,，同時還可以避免6kHz到15kHz之間的開關(guān)頻率。常采用的反激式轉(zhuǎn)換器磁芯尺寸的自諧振頻率通常介于此頻率范圍內(nèi),。多周期調(diào)制功能可有效地將每個平均開關(guān)頻率控制在所需的音頻范圍內(nèi),，保持輸出穩(wěn)壓，同時避免出現(xiàn)前面提到的磁芯自諧振頻率,。因此，與更為傳統(tǒng)的突發(fā)工作模式不同的是,，多周期調(diào)制能確保音頻噪音得到有效抑制,，同時還可提高工作效率。

上述控制模式為電源設(shè)計師提供了內(nèi)置的設(shè)計方法,。該方法可在整個功率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率,，但對設(shè)計師而言，仍還有許多工作要做,。電源設(shè)計必須要安全地解決所有故障情況和最差情況下的元件容差問題,。在以非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)工作的反激式轉(zhuǎn)換器中，輸出到負(fù)載的功率與開關(guān)頻率,、變壓器初級電感量以及峰值初級電流平方均成比例,。因此，這三個參數(shù)的微小變化便可導(dǎo)致過載電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出故障條件下的額定輸出值,。為構(gòu)建能經(jīng)受此類故障的電源,，就必須采用較大的元件，但這卻會給薄型筆記本適配器設(shè)計帶來空間和散熱兩大難題,。

TOPSwitch-HX已解決了上述難題,。TOPSwitch-HX引入額外的電路，并在最終測試中采用參數(shù)調(diào)整技術(shù),，以控制開關(guān)頻率與流限值平方的乘積的最大值和最小值,，這在數(shù)據(jù)手冊中用一個新的參數(shù)來表征，即功率因數(shù)(I2f),。

在圖3中,，對TOPSwitch-HX與上一代的TOPSwitch-GX(無I2f調(diào)整)的工作區(qū)域進(jìn)行了比較,。去除特性曲線的左下方區(qū)域(I2f=0.81)，TOPSwitch-HX可確保在最差情況下提高通過變壓器傳導(dǎo)的最小能量,。這樣,，使用一個初級繞組電感低于先前要求的大約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(qū)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于先前要求的大約9%的變壓器也可以實現(xiàn)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(diào)整技術(shù)，是設(shè)計薄型筆記本適配器的關(guān)鍵促成因素,。該技術(shù)可在給定設(shè)計中使給定的變壓器磁芯尺寸提供更多功率輸出,，使過載功率與額定功率的比率大幅降低，并使導(dǎo)通損耗更小,。
 

集成多模式控制及I2f調(diào)整功能的TOPSwitch-HX器件,，13.5mm的凈空高度可容納整個電源，而制造成本卻與雙倍尺寸的適配器相當(dāng),。該設(shè)計的平均功率效率大于87%,，超出了能源之星EPS v2.0的要求。當(dāng)采用交流230V輸入時,，電路空載功耗可降到300mW以下,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于能源之星所允許的500mW空載功耗。

綜上所述,，采用TOPSwitch-HX的超薄型筆記本適配器不再昂貴,。所有筆記本適配器都可以采用這種方式進(jìn)行設(shè)計和制造，既節(jié)省材料又節(jié)約能耗,。超薄型筆記本適配器可節(jié)省功率和成本,。