用于反激式适配器的多功能PWM控制器 FAN6754

当你把几乎任何小型计算或消费电子设备插入电源插座时，便不难发现手中的插头大部分都连接到外部电源(EPS)。EPS是所有小型电子设备工作的必不可少的部分，单单在美国，就有多达15亿个在使用中 (据业界估计，在全球则超过30亿个)。

　　EPS的核心是多功能PWM控制器集成电路(IC)(如飞兆半导体的FAN6754)以及功率 MOSFET，它们联合工作，为负载高效分配能量，并监控电路以保护系统。所有元器件都被集成在一个精简的封装中，与过去那种看起来老旧笨重的电源成了强烈对比。

　　PWM控制器可被视为电源的大脑。它监控反馈数据并调整占空比，以调节开关模式电源(SMPS)的输出电压，帮助系统满足所有相关节能标准。

　　这种绿色模式PWM控制器可以提高效率，并增加了保护功能，将受到致力于满足最新绿色功耗标准的工程师们所青睐。随着全球对节能问题的重点关注，监管机构开始研究所有 “绿色”方法，各种标准因而相继被制定出来，规定笔记本电脑电源等产品必须拥有更高的效率。降低待机功耗和提高效率已成为众多倡议的一项关键要素，比如美国的自愿性能源之星(ENERGY STAR)效率分级计划，和欧盟及亚洲一些国家采用的强制性产品节能规范等。

　　譬如，ENERGY STAR EPS version 2.0要求的工作模式效率和更低的空载功耗比目前标准更严格。该要求强制规定平均工作模式效率须至87%才能取得能源之星标签 (参见表1)。

　　ENERGY STAR v.2.0规范针对EPS的另一个规定是合格的AC-AC外部电源或AC-DC外部电源在空载条件下可使用的最大输入功率。空载模式下的最大功耗级见表 2。

　　不论在成本上还是在技术方面，反激式拓扑都已被证明是一种有效的解决方案，在笔记本电脑或膝上型电脑的AC-DC适配器和充电器中用脉宽调制(PWM)功率转换来实现。飞兆半导体的FAN6754是一款高度集成化的绿色模式PWM控制器，能够提供多项可增强反激式转换器性能的出色功能，比如：HV启动系统(能承受700V)、可降低EMI的跳频技术，以及更高的集成度以节省外接部件等。工程师使用这款控制器，可获得比采用分立式元件的解决方案更高的可靠性和更低的BOM成本，以及更低的装配成本。为了进一步降低功耗，FAN6754采用了BiCMOS制造工艺，故能够允许工作电流小于2mA (典型值为 1.7mA)。

　　FAN6754还有两个实用的功能。与提高效率同等重要的是，该器件让电源设计人员能够以较少的外部部件，提供全方位的保护功能，从而降低成本，简化设计。另外，保护功能对创建具成本效益的电源至关重要，因为任何通过增大元件尺寸来处理过压力问题的需求，都会对成本和终端产品的物理参数产生不利影响。

　　FAN6754拥有众多安全功能，如欠压锁定(UVLO)、过载保护 (OLP)、过压保护(OVP)、过流保护(OCP) 和过流限制(OCL)。这些功能与热关断模式(带软件式安全重启功能)相结合，共同保护精密的电路。内置8ms软启动电路可大大减少启动电流尖峰和输出电压过冲现象。适当利用这些保护和控制功能，设计人员就更有信心使设计更接近设计余量。

　　绿色模式工作

　　FAN6754 PWM控制器整合了不少灵活的设计特性，可降低笔记本电脑适配器的总体功耗。例如，为了把待机功耗降至最低，该器件采用了一项专有的绿色模式功能，其在轻载条件(如25%的负载)下可提供非导通时间调制(off-time modulation)来连续降低开关频率。由于SMPS中的大部分损耗都与PWM频率成正比，故非导通时间调制能够减小电源在轻载和空载条件下的功耗。以电压反馈环路的反馈电压VFB为参考值，一旦VFB低于阈值电压，开关频率便会持续降低。

　　实现效率最大化的另一个关键因素是对固定基频(以及倍数开关频率)下开关器件产生的EMI(电磁干扰)的控制，因为这种干扰会对电网产生有害影响。飞兆半导体的FAN6754采用了跳频技术(见图1)，可以在更宽广的频率范围上扩展能量。采用这种办法，可减小信号衰减，满足 EN55022 (辐射和传导放射欧盟标准) 和 CISPR 22 Class B (辐射和传导放射国际标准)等国际规范。

　　利用这种技术，FAN6754以最少的滤波器且无需增加抑制元件即可降低峰值放射，从而尽量避免了这些器件造成的成本增加、空间占用和对宝贵能量的消耗。在这种专利技术(美国专利号7026851)中，频率随不同电容器之间的切换而变化。

　　降低开关频率的一个不良副作用是它可能产生噪声(大多数开关充电器都受开关功能本身产生的噪声之影响)。由于开关的频率随输出负载而变化，故开关频率可能下降至音频频带，当基频在人耳听力范围之内时，会导致可闻的噪声。为了避免声学噪声问题，最小的绿色模式PWM频率设置为22KHz。

　　峰值电流模式PWM控制的另一个特性是电流控制环路可能变得不稳定，导致次谐波振荡。为了防止这种情况的发生， 在FAN6754 PWM在占空比超过45%时，也就是说开关周期内有45%以上的时间PWM开关处于导通状态时，就会采用同步斜率补偿(synchronized slope compensation)。

　　轻载条件下，飞兆半导体FAN6754进入专有的绿色工作模式，提供非导通时间调制，以降低PWM频率和工作电流(因为轻载时的损耗以开关损耗为主，这就可以把空载功耗降至最低)。为了把开关损耗降至最小，FAN6754采用了一种周期跳步的Burst mode，亦即在待机工作模式下，电源开关按照预定的频率突发地导通/关断。

　　在这里先进一步解释Burst mode：设想要满足待机模式下的低功耗要求，输出端应只有极少乃至没有负载电流。输出电压增加会造成反馈电压下降;当反馈电压低于阈值时，开关便停止以实现节能。根据负载电流情况，输出电压最终下降，导致反馈电压增加。而一旦达到突发模式阈值，开关便会再次启动。Burst Mode的“开”和“关”阈值都是完全可设计的。

　　有了这些绿色工作模式，连同内置非耗能700V启动电路和低静态电流，65W/19V笔记本电脑适配器就可以满足空载能耗100mW这类严格的节能要求。

　　演示板结果

　　事实上，在115Vac/60Hz下，65W/19V 演示板上测得的FAN6754的平均效率为88.36% (规范要求为87%)，在 230Vac/50Hz下为 88.85%，超越了 EPA 4.0标准规定的适配器在工作模式下的最小平均效率。在空载功耗方面，同样是在65W/19V演示板上测试，测得88mW @264VAC (在60W/12V 演示板上测得为76mW @ 264VAC)。图2示出与前代产品SG6742的比较。

　　比较可知，飞兆半导体的前代PWM控制器(SG6742)在115VAC下，在 60W/12V板上测得平均效率为86.66%，而FAN6754在相同条件下测得平均效率为87.51%。

　　而另一个便利设计人员的好处是，FAN6754与SG6742引脚完全兼容。众多保护功能

　　FAN 6754内置有大量全面的精确的保护功能，可保护电源和负载免受永久性损害。更好的是，设计人员无需增加外部元件或电路就可以使用这些功能，也就是说不用增加成本就能提供系统可靠性。的确，设计人员会发现FAN6754拥有的保护功能为同类竞争产品之最，同时仍然满足笔记本电脑空载功耗< 90mW的要求。

　　FAN 6754的保护功能包括过低电压保护(brown-out protection)、欠压锁定(UVLO)、过压保护 (OVP)、过载保护 (OLP) 和过温保护(OTP)。VDD 过压保护(OVP)功能可防止反馈环路开环等异常状况造成的损害。当VDD (电源电压)因异常状况超过24V时，PWM输出将会关断。VDD引脚上的电压检测器可确保芯片的功率足以驱动MOSFET。

　　欠压锁定(UVLO)电路有两个阈值，即导通和关断阈值，分别内固定为16.5V 和 9V。如果DC输入电压下降到UVLO的关断阈值之下，PWM输出将被禁用。当超过UVLO导通阈值时，PWM控制器便会重新启动。

　　不同于以往的PWM控制器，FAN6754的HV引脚 (SOP-8 配置中的4引脚) 还能执行AC欠压保护功能。 采用一个快速二极管和启动电阻来对AC 线电压进行采样(每180μS一次采样，脉宽20μS)，每一个采样周期峰值都被更新并存储在寄存器中;这个峰值可用于欠压和电流级限制调节。当HV引脚上的电压低于欠压电压时，PWM 输出关断。此外，HV引脚能够进行限流值调整，缩小整个AC电压范围上的过流保护(OCP) 容限。

　　FAN6754 还扩大了采样周期，以减小HV采样的功耗。

　　飞兆半导体的绿色模式PWM控制器具有开环分析和开环保护(OLP)功能，在出现开环或输出短路故障时可确保系统的安全性。如果反馈电压(FB)有超过56mS的时间大于5.2V，PWM脉冲即被禁用。PWM占空比由FB电压和电流取样来决定。

　　通过采用一个外部负温度系数(NTC)热敏电阻来感测外部系统的温度，可实现过热保护(OTP)功能。NTC热敏电阻的阻抗随温度增加而下降，RT引脚上的电压(VRT)相应降低。如果VRT小于 1.035V，PWM在16mS后关断。如果VRT 小于0.7V，PWM在185mS后关断。