如何實(shí)現(xiàn)具有更高擊穿電壓和更低待機(jī)電流的離線輔助PSU電源裝置

如今，對(duì)能源效率的需求影響著自動(dòng)化的所有領(lǐng)域。這包括各種白色家電，它們是在家庭自動(dòng)化概念與如今完全不同的時(shí)代構(gòu)想出來(lái)的。幾十年前，當(dāng)我們開始依賴這些設(shè)備時(shí)，能源的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本沒有消費(fèi)者便利性那么重要，但這種不平衡最近發(fā)生了改變，如今人們正在努力加以解決。

盡管制造商盡了最大努力，但許多白色家電仍舊常常需要大量能源才能實(shí)現(xiàn)自身功能，包括加熱水或空氣（電燒水壺、烤箱、淋浴器、洗衣機(jī)）、冷卻空氣或其他流體（冰箱）、對(duì)流加熱（烤面包機(jī)和烤箱）或一般運(yùn)動(dòng)（洗衣機(jī)/烘干機(jī)和吸塵器的電動(dòng)機(jī)）。在消費(fèi)環(huán)境下，這些設(shè)備的能耗都差不多以kW計(jì)算，是業(yè)主最大的電力成本來(lái)源。

除此之外，越來(lái)越多的消費(fèi)類設(shè)備采用越來(lái)越復(fù)雜的控制功能或用戶界面。這些輔助功能本質(zhì)上都是低功率應(yīng)用，如傳感器、顯示屏和觸控面板。從實(shí)質(zhì)上講，使用旨在提供高電流的電源來(lái)為這些輔助功能供電會(huì)使效率變得很低，尤其是當(dāng)這些功能需要在未使用主要功率密集型功能的情況下工作時(shí)。這就提高了對(duì)輔助離線電源裝置的需求，這種裝置可以通過(guò)交流電源提供功率相對(duì)較低、不到40W（典型值）的直流電源。

這樣做的主要目標(biāo)就是在待機(jī)期間也可以盡可能高效地提供電源。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要以最具成本、空間和能效優(yōu)勢(shì)的方式實(shí)現(xiàn)電源功能。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師還需要考慮白色家電的安全要求。就電源而言，這通常要求采用隔離式解決方案，但在某些情況下，相關(guān)規(guī)范要求的電氣隔離水平可通過(guò)物理設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。正因如此，市場(chǎng)對(duì)面向低功耗輔助離線電源應(yīng)用空間的低功耗SMPS解決方案（隔離式和非隔離式）的需求不斷增長(zhǎng)。

完全集成的解決方案

隨著半導(dǎo)體制造工藝向更高集成度和更穩(wěn)健方向發(fā)展，這一總趨勢(shì)使得器件制造商能夠開發(fā)出單芯片解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)離線功率轉(zhuǎn)換。通過(guò)將開關(guān)型MOSFET和控制電路集成至單個(gè)器件中，現(xiàn)在可以更加輕松地設(shè)計(jì)具有更高功率密度的開關(guān)型電源，從而提供出色的輔助電源，這類輔助電源不僅可以部署在白色家電的多個(gè)區(qū)域，而且還針對(duì)上文所述輔助功能所需的功率進(jìn)行了優(yōu)化。

根據(jù)具體的應(yīng)用和功能，輔助電源所需提供的功率會(huì)有所不同，從不到1W到高達(dá)70W不等。安森美半導(dǎo)體在開發(fā)該應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案方面有著悠久的歷史，并擁有廣泛且不斷增長(zhǎng)的器件產(chǎn)品組合。

隨著超低功耗輔助電源需求的增長(zhǎng)，安森美半導(dǎo)體最近推出了NCP1067x系列高壓開關(guān)。該系列開關(guān)專為采用非隔離式（圖 1）或隔離式（圖 2）設(shè)計(jì)的低功耗離線開關(guān)型電源而開發(fā)。它將控制器和功率MOSFET完全集成在一個(gè)SOIC7封裝中，尺寸非常小巧。

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雖然NCP1067x采用固定頻率模式工作，但在負(fù)載下降時(shí)會(huì)自動(dòng)切換至待機(jī)模式，以降低功耗，即采用空載間歇模式。盡管該器件采用自供電設(shè)計(jì)，即變壓器上無(wú)需輔助繞組，但如果包含輔助繞組，則可用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)過(guò)壓保護(hù)功能。此外，還可以通過(guò)基于時(shí)間的檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)輸出短路自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)。

由于采用了安森美半導(dǎo)體的超高壓技術(shù)，NCP1067x還搭載了一個(gè)RDS（on）低至12Ω的集成式700V功率MOSFET。在連接至230V交流電源的開放式框架配置中，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)能夠提供15.5W的電源。為提高EMI，NCP1067x采用了頻率抖動(dòng)設(shè)計(jì)，即通過(guò)在標(biāo)稱開關(guān)頻率上增加一個(gè)±6%的變量。用于應(yīng)用抖動(dòng)的掃描鋸齒波形由器件內(nèi)部生成。非隔離式設(shè)計(jì)采用了一個(gè)反饋引腳，該引腳將小部分的輸出電壓施加于集成式跨導(dǎo)放大器。

對(duì)更高擊穿電壓的需求不斷增加

輔助電源設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)就是要求功率MOSFET上具有更高的擊穿電壓（即BVDS）。通常，這與晶體管的物理尺寸有關(guān)，也就是說(shuō)擊穿電壓越大，所需的晶體管就越大。在許多情況下，這會(huì)導(dǎo)致解決方案尺寸過(guò)大和過(guò)于昂貴，不適合大多數(shù)目標(biāo)應(yīng)用。

大多數(shù)集成MOSFET的SMPS開關(guān)均采用平面工藝。為滿足市場(chǎng)對(duì)尺寸和成本的限制要求，出現(xiàn)了具有700V BVDS的器件。不過(guò)，BVDS越高，提供的電源浪涌和峰值電壓保護(hù)能力就越大，因此終端產(chǎn)品就越穩(wěn)健。為此，越來(lái)越多的公司推出具有更高BVDS但仍能提供低成本、小型BoM解決方案的開關(guān)。

為此，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款開關(guān)模塊，該模塊集成了SMPS控制器和采用自身SUPERFET? 2超級(jí)結(jié)技術(shù)構(gòu)建的功率MOSFET，以便打造出能夠提供800V BVDS、同時(shí)又仍可采用雙列直插式塑料封裝的模塊。這一革新產(chǎn)品系列首次為制造商提供了一種既可提高產(chǎn)品性能又能滿足市場(chǎng)商業(yè)需求的可行解決方案。

FSL5x8電流型開關(guān)系列采用PDIP-7封裝，并包含PWM控制器和SUPERFET 2功率MOSFET。通常，實(shí)現(xiàn)800V擊穿電壓需要使用控制器和單獨(dú)的分立式MOSFET。然而，安森美半導(dǎo)體的SUPERFET 2技術(shù)成功將這兩個(gè)器件集成至一個(gè)小型封裝中。

這樣，設(shè)計(jì)人員只需使用一個(gè)適用于隔離式（圖 3）和非隔離式（圖 4）反激設(shè)計(jì)的器件，就可以解決大約40W的高端低功耗離線輔助電源設(shè)計(jì)問(wèn)題。

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在NCP1067x和FSL5x8產(chǎn)品中，跨導(dǎo)放大器用作比較器，使設(shè)計(jì)人員能夠更輕松地開發(fā)非隔離式反激電源，從而優(yōu)化可用的電路板空間，并最大程度地降低BoM。

當(dāng)絕大多數(shù)低功耗離線PSU在反激模式下運(yùn)行的情況下，安森美半導(dǎo)體的電源解決方案組合中新增了這兩款產(chǎn)品，帶來(lái)了新的益處，通過(guò)更高的集成度，實(shí)現(xiàn)更高的性能和可靠性，從而提高功率密度，降低BoM成本。

雖然所有非隔離式PSU設(shè)計(jì)都只能提供有限的供電功率，但本文概述的發(fā)展表明，可以為輔助PSU設(shè)計(jì)出一種適用于低端和高端低功耗離線PSU應(yīng)用的開關(guān)。由于非隔離式反激轉(zhuǎn)換器通常比隔離式轉(zhuǎn)換器更加高效，所以也可以實(shí)現(xiàn)操作成本。

使用輔助離線PSU的主要目的就是為了減少終端產(chǎn)品消耗的待機(jī)電流。通過(guò)選用針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的高度集成器件，開發(fā)人員如今能夠以更小的電路板空間和最低的BoM成本實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！　?/p>