隨著全球社會經(jīng)濟的發(fā)展，資通訊產(chǎn)品的發(fā)達(dá)，隨時隨地能上網(wǎng)是現(xiàn)代人生活的常態(tài)。但各國政府在面對有限的資源及地球暖化的問題上，往往會以能源效率的提高做為減碳的手段之一。其中最具代表性的以歐盟委員會制定的外接式電源供應(yīng)器法規(guī)(Code of Conduct on Energy Efficiency of External Power Supplies)，于2013年10月29日公布了第5版，取代了2009年4月所發(fā)布的版本，更加嚴(yán)格的制定電源供應(yīng)器的節(jié)能規(guī)范。相較于第4版的內(nèi)容，一舉將輸出功率50~250W的應(yīng)用，其平均轉(zhuǎn)換效率需求從87%提升至89%，無載功耗則從0.5W降至0.15W。此外，更新增了滿載額定輸出電流10%負(fù)載條件的效率必需大于79%，如Table 1所示。在各界嚴(yán)峻的能源規(guī)范之下，尤其以EN61000-3-3法規(guī)規(guī)定，電源輸入功率>75W必需加入功率因素矯正器(Power Factor Correction, PFC)的條件，對各電源專業(yè)制造廠如何在不增加太多成本的條件下，又能夠符合更嚴(yán)格的法規(guī)規(guī)范成為電源供應(yīng)器設(shè)計的新挑戰(zhàn)。

Table 1. 50~250W外接式電源供應(yīng)器法規(guī)比較

通嘉科技推出輸出功率適用于70~150W之LD7790方案，整合PFC及Flyback控制電路于單一封裝，相較于離散式控制器方案，除可以滿足未來新能源法規(guī)的要求外，并能減少外部線路零件數(shù)量簡化設(shè)計。除了可降低系統(tǒng)外部零件成本，還能藉由協(xié)調(diào)兩個功率級的控制，達(dá)到最佳的能源轉(zhuǎn)換效率，本文以LD7790如何能作到效率改善做一技術(shù)上的說明，并搭配實測數(shù)據(jù)相互比較驗證，并以一設(shè)計范例90W電源(19V輸出)展現(xiàn)其效率及待機功耗。請參照Table 2步驟介紹。

Table 2. LD7790效率及待機功耗改善方案

應(yīng)用線路簡圖如Fig 1所示。

Fig 1. LD7790應(yīng)用線路簡圖

臨界導(dǎo)通模式(BCM, Boundary Conduction Mode)PFC

一般常用的PFC能量控制模式有分連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM, Continuous Condition Mode)及臨界導(dǎo)通模式。連續(xù)導(dǎo)通模式會將電感漣波電流維持在一定的水平，可有效降低電感電流，一般而言常用于輸出功率大于250W應(yīng)用。有別于連續(xù)導(dǎo)通模式，臨界導(dǎo)通模式具有零電流切換的特性，可以改善二極管反向恢復(fù)的功率損失，再搭配MOSFET谷底電壓切換技術(shù)，可有效改善系統(tǒng)的切換損失(Switching Loss)。相關(guān)的波形示意圖如Fig 2所示。

LD7790主要應(yīng)用于輸出功率70~150W之電源轉(zhuǎn)換器，采用臨界導(dǎo)通模式并配合MOSFET谷底電壓切換技術(shù)來改善系統(tǒng)切換損失，以獲得較高的系統(tǒng)效率。

Fig 1. PFC于連續(xù)導(dǎo)通模式及臨界導(dǎo)通模式之波形示意圖

較低的PFC輸出電壓設(shè)定

為了應(yīng)用于全球通用電力系統(tǒng)(100~240VAC)，PFC輸出電壓通常會設(shè)定于380~400VDC， 但是在低輸入電壓下(100~120VAC)使用臨界導(dǎo)通模式PFC，配合較低的PFC輸出電壓，例如230~300VDC，可降低PFC切換頻率及降低 MOSFET turn-off損失達(dá)到改善系統(tǒng)效率。

Fig 3是19V/90W 電源轉(zhuǎn)換器于115VAC/60Hz輸入下搭配不同的PFC輸出電壓系統(tǒng)效率測試結(jié)果：

Fig 2. PFC Vo vs. System Efficiency

輕載輸出下關(guān)閉PFC功能

PFC除了提供輸入功率大于75W下之功率因素校正外，還能夠提升Flyback輸入電壓以改善低壓輸入及重載輸出下的導(dǎo)通損失。當(dāng)輸出功率需求下降時，PFC的切換損失將導(dǎo)致系統(tǒng)效率低落。LD7790能提供負(fù)載偵測功能，可于輕載的情況下視需求關(guān)閉PFC以提升系統(tǒng)效率及待機損耗。

如Fig 4所示，19V/90W 電源轉(zhuǎn)換器PFC啟動和關(guān)閉后的系統(tǒng)效率，當(dāng)輸入電壓115VAC時、25%輸出負(fù)載條件下，關(guān)閉PFC可改善效率近2%，當(dāng)輸入電壓在230VA時、25%輸出負(fù)載條件下，關(guān)閉PFC可改善效率約4.5%。

Fig 3. PFC on/off vs. Efficiency

PFC啟動和關(guān)閉后的無載待機損耗測試結(jié)果如Table 3所示，將PFC關(guān)閉后可降低約0.015W的待機損耗，10%輸出負(fù)載效率如Table 4所示，PFC關(guān)閉后的系統(tǒng)效率改善約2~5%。LD7790提供負(fù)載偵測功能，可設(shè)定輸出負(fù)載低于25~50%下關(guān)閉PFC，在輸入功率小于75W下改善平均系統(tǒng)效率及無載損耗。

Table3. PFC on/off vs. No Load Power Consumption

Table4.     PFC on/off vs. 10% load of rated output current efficiency

Flyback 谷底電壓切換技術(shù)及降頻控制

由于前級 PFC 電路提升了后級 Flyback 的輸入電壓，改善了 Flyback 傳導(dǎo)損失的問題， 如何進一步改善 Flyback 切換損失成為提升整體效率的關(guān)鍵。利用 Flyback 變壓器在非連續(xù)導(dǎo) 通模式下，MOSFET 寄生電容跟變壓器回路共振特性做谷底電壓切換，是最簡易也是最常用 的切換損失改善方案。此功能的缺點是，當(dāng)輸出負(fù)載變輕時，因變壓器充放電時間變短而導(dǎo)致 切換頻率提升，造成輕載輸出下切換損失反而變高，如 Fig 5 所示。

LD7790 內(nèi)含 Flyback 限頻功能，除了解決輕載輸出下進入高頻切換的問題，還能夠更進 一步將輕載輸出下的切換頻率限制最低 30kHz 以內(nèi)，以改善輕載輸出下的系統(tǒng)效率。此外， LD7790 還內(nèi)建脈沖(Burst mode)模式，讓極輕載至無載輸出下的切換頻率更進一步降低。 Fig 6 為輕、中、重載下的切換波形示意圖。

搭配 X 電容的電源轉(zhuǎn)換器需并聯(lián)能量泄放電阻，以提供市電移除后 X 電容能量的泄放路 徑，避免插頭拔除后接觸人體產(chǎn)生觸電意外。 根據(jù) IEC60950 及 IEC60065 規(guī)范，在市電移 除后的一秒內(nèi)，X 電容上的電壓必需低于原先市電峰值的 37%，等同 X 電容值及能量泄放電 阻值需小于1個 RC 常數(shù)，如下所示：

CX-CAP × RDISCHARGE < 1

以輸出 90W 電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用為例，常用的 X 電容容值約 0.33~0.47μF。假設(shè)選用了 0.33μF， 需搭配至少 3MΩ的能量泄放電阻，而該阻值在 264AC 的待機損耗會增加 23mW。

LD7790 提供主動式 X 電容泄放功能，透過控制 IC 內(nèi)部的高壓開關(guān)，在接上市電操作時 開關(guān)不導(dǎo)通，不會像有額外的能量損失，在市電移除后會立即啟動高壓開關(guān)并透過 HV Pin 回 路對 X 電容進行能量泄放。X 電容放電回路及實測波形圖如錯誤! 找不到參照來源。所示。 LD7790 主動式 X 電容泄放功能已藉由國際認(rèn)證單位「挪威商聯(lián)廣驗證公司(Nemko)」，測試 通過 IEC 60950-1 安規(guī)驗證。

范例應(yīng)用電路效率及待機損耗實測

Fig 8 是一輸出為 19V/90W 范例應(yīng)用線路，可應(yīng)用于市電壓 100~240VAC / 47~63Hz ，

基于此設(shè)計系統(tǒng)效率測試結(jié)果如 0，無載功耗及極輕載系統(tǒng)效率結(jié)果如 Table 6 所示。

結(jié)論

LD7790 是內(nèi)含 PFC 及 Flyback 于 SOP-16 單一封裝的控制器，針對輸入瓦數(shù)大于 75W

需功率因素校正電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，提供臨界導(dǎo)通模式 PFC 及不連續(xù)模式 Flyback 控制、谷底 電壓切換技術(shù)、內(nèi)建 PFC ON/OFF 控制及主動式 X 電容泄放…等多項效率改善技術(shù)，在范例 應(yīng)用線路實測中，系統(tǒng)平均效率達(dá) 90.3%，10%輸出負(fù)載下系統(tǒng)效率達(dá) 87.65%，無載待機功 耗僅 0.065W，能滿足新的效率規(guī)范，相較于離散式控制器方案還能夠減少外部線路零件數(shù)量， 以降低外部零件成本，適用于輸出功率 70~150W 電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計。