电力效率立法要求在离线电源中采用同步整流器

本文着眼于美国能源部关于外部电源效率标准的新要求。

对于离线供电，多个全球监管机构已经提出了能效标准，以进一步提高全球能源节约，这些标准随着发展而变得更加严格。特别是随着最近采用USB PD、QC和其他快速充电协议的趋势，新的手机和平板电脑适配器正在设计更高的功率水平，制造商面临着许多新的挑战，以提高效率，同时仍保持低成本和小尺寸。

随着a的引入新的需求集(PDF)由美国能源部(DOE)于2016年2月成为法律，为了向美国市场销售，制造商必须提高旧设计的效率，以达到DOE级别VI。

虽然levelvi已经是一项法规，但预计其他目前仅自愿适用的能源规范将在不久的将来成为强制性规范。例如，欧盟CoC Tier2规范的要求比levelvi更严格，可能最早在2018年成为强制规范。快速充电和电信适配器已经采用了CoC Tier2标准。随着这些规范的生效，许多其他国家也将逐步遵循。

对于单输出USB PD适配器，正在生产或正在设计的产品大多是15W (5V3A)、27W(高达9V/3A)、45W(高达15V/3A)和60W(高达20V/3A)(见表1)。直接充电是最近才在PD标准中采用的。

表1。效率要求

最小平均效率	能源部水平六世	CoC Tier2
15 w适配器	81.40%	81.8%
30 w适配器	87％	87.7%
45 w适配器	87.70%	88.85%
60 w适配器	88％	89％

对于快速充电适配器，带二次反馈的单开关反激变换器仍然是最流行的拓扑结构，因为它在成本和性能之间的平衡(见图1)。除了必要的一次侧反激控制器，许多设计工程师往往会犹豫是否要选择反激同步整流器(SR)或简单的肖特基二极管作为二次侧开关。虽然大家都知道SR可以带来更好的效率，但设计工程师仍然必须考虑这些主要问题:为了销售我的产品，是否需要额外的效率?我是否需要支付更多的费用?我是否需要额外空间来采用SR解决方案?

图1所示。典型的用于快速充电器的反激电源框图。

MPS提供一系列连续和间断导通模式(CCM, DCM)兼容的SR控制器，以及最近发布的MP6907控制器和业界首个100V理想二极管:MP6910A。

对于任何设计运行在CCM中以减小尺寸的适配器，次级电流不会在初级电流接通时降至零，因此尽快关闭SR是非常重要的，以防止击穿。使用MPS的解决方案，VG被调整以保持MOSFET的VDS恒定。由于CCM期间的电流下降，驱动器的VG也下降，所以MOSFET在低电流的线性模式下运行。因此，当电压反向时，驱动器在低VG的低电流下关断，因此关断速度非常快，以确保CCM的安全运行。此外，SR MOSFET的传导时间最大化，以确保最佳效率。MPS的SR控制器也支持DCM和准谐振模式。

市场上的许多SR控制器需要更长的关闭时间，导致整个SR MOSFET的VDS峰值较高，这就要求MOSFET具有更高的BV，从而降低了效率(见图2)。MPS的SR控制器在具有较低EMI的相同CCM条件下切换更平稳。

图2。MPS SR控制器的工作原理。

有关MPS与ccm兼容的SR操作和设计提示的详细说明，请参阅AN077应用注释(PDF)。

下面的图3显示了MPS的12V、45W适配器评估板(EVB)的效率测量，该板使用HFC0500作为反激控制器，并将使用MP6907作为SR控制器控制100V MOSFET与使用100V、40A肖特基二极管进行了比较。以SR作为二次开关的红色曲线表明，EVB效率高于DoE VI、CoC Tier1和CoC Tier2规格。肖特基二极管的曲线显示效率降低了约2%，这意味着平均效率将勉强达到DoE级别VI，肯定无法满足CoC Tier1和Tier2的规格。

图3。在45W适配器上与肖特基二极管和SR MOSFET的EVB效率比较。

图4显示了SR MOSFET和肖特基二极管(都是TO220封装)在没有散热器的室温下的热图像。SR MOSFET是非常有效的，温升~35°C，而肖特基二极管有~95°C的温升。二极管上必须安装散热片，这样会增加生产成本和空间。安装散热器是一个手动过程，对组装过程不友好。因此，SR IC+FET的成本与二极管+散热器的成本相似，如果不是更低的话。

图4。45 w EVB比较。

通常,减少输出电压和输出电流设计,可以实现更高的效率,并利用一个老而很难设定边界,公平地说,一个5 v / 1手机适配器可能不需要一个老,而5 v / 3适配器肯定会从中受益。一个12V/1A电信适配器可能不需要SR，但12V/2.5A电信适配器肯定需要。对于>50V输出，SR可能不是一个有效的选择。

对于USB PD或其他支持快速充电协议的适配器，确实有必要考虑使用SR作为辅助开关(参见图5)。

图5。典型的SR控制器框图，低端的MOSFET。

对于设计在低功率和可以采用肖特基二极管没有散热片的适配器，用SR控制器替换肖特基二极管，MOSFET和一些其他组件可以增加空间。然而，使用一个理想的二极管(SR控制器和MOSFET集成在同一个封装中)，使用SR解决方案可以节省空间。

很大肖特基二极管相比,这需要一个大包装(如TO220或D2PAK)额外的热量消散,因为额外的损失,理想的二极管的解决方案可能会出现紧凑和小通过图8(参见图6)。理想二极管在TO220包也可以更高的评级,这可能会取代TO220肖特基二极管和散热器(见表2)。此外，MPS将发布其SR和其他IC产品，以发展直接充电市场，所以请期待未来关于这些解决方案的文章。

表2。MP6910A当前评级

	适配器(TA = 90°C)	开放式(TA = 50°C)
MP6910A-SOIC8	2.5	4.5
MP6910A-TO220	4	(> 4.5)

图6。理想的二极管由IC供电直接输出电压(>8V输出)。

图7。理想的二极管与辅助绕组IC供应(>8V输出)。

图8。MP6907 SR控制器(左)和MP6910A SR理想二极管(右)评估板。两者都在SOIC8包中。

行业文章是一种内容形式，允许行业合作伙伴以编辑内容不太适合的方式与All About Circuits的读者分享有用的新闻、消息和技术。雷竞技注册所有行业文章都遵循严格的编辑指导方针，目的是为读者提供有用的新闻、技术专长或故事。工业文章中表达的观点和意见是合作伙伴的观点和意见，不一定是All About Circuits或其作者的观点和意见。雷竞技注册