基于ON NCP1937+NCP4304应用于呼吸器的高效率低待载功耗90W电源适配器方案

       近年来直流无刷马达(BLDC)被广泛的应用在各产业中,例如:汽车电子产业里的散热风扇、雨刷等,或是消费性电子产业里的家用风扇、空气清净机等,或者是医疗产业里的呼吸器、分析仪等应用。这些直流无刷马达的应用都需要一个直流电源。另外,环保意识抬头的风潮下,各国都纷纷制定适配器电源相关的规范来约束,欧盟Code of Conduct(CoC)与美国能源部(DoE)为目前电源业界最常使用得规范,使得整个适配器电源市场都要求高效率与低空载待机功耗。以一个90W的适配器为例,其整体四点平均效率(25%, 50%, 75%, 100%)必须大于89%,空载待机功耗必须小于0.15W。另外,为了符合法规要求线路会搭配功率因数校正电路(PFC),使得适配器在满载时有好的功率因数表现,因此,适配器在空载待机与搭配功率因数校正电路状况下,空载待机功耗要小于0.15W几乎是很难达到,所以势必要把功率因数校正电路给关闭。

因此本方案以呼吸器用的24V-90W电源适配器为例,主要控制器采用安森美半导体Combo IC NCP1937,并搭配二次侧同步整流NCP4304来实现本案的诉求高效能、低空载待机功耗。本案会采用NCP1937主要它是一款Combo IC (CrM_PFC+QR_PWM),可大幅简化PFC与PWM周边元件,再者,CrM_PFC又非常适合在150W以下的应用场合。另外,NCP1937有提供两个独特功能,让设计者能将它调整成适合各领域的应用。首先,NCP1937有提供依照输入电压而提供两阶不同输出电压,这功能可以提高低压输入时的整体效率,不用再搭配额外电路就可达到,当然这功能也可以让使用者关闭(Pin18不使用)。NCP1937也提供让使用者透过外部连接一对地电阻设定来控制PFC的ON/OFF,当NCP1937 Pin 6电压低于2V时,NCP1937会关闭PFC,反之亦然,这PFC启闭功能可以提高整体线路在中载与轻载时效率,这功能也不需要额外的线路就可达成。本方案也会使用NCP1937这两个独特功能,首先,高/低电压输入时,其PFC电压为设定为400V/193V。再者,将PFC ON/OFF设定输出瓦数超出5.4W开启PFC,输出瓦数低于0.72W关闭PFC,这主要是让PFC电路在空载时是关闭的,以获得好的待机功耗表现。在输出5.4W时开启PFC,这主要考量呼吸器在运转时,其电流是高高低低的,不会维持在一定值,为了让PFC电路不受呼吸器运转所影响,而开开关关的,因此将瓦数设在5.4W开启PFC线路,使适配器可在极低输出瓦数下可以稳定的操作。

本方案的呼吸器用的24V-90W适配器电源也应用NCP1937这两个独特功能以达到高效率(>90%)与低空载待机功耗(<0.15W)要求。图一、为本案在不同输入电压/输出瓦数下的效率表现,最佳效率有92.1% @264Vac/75% Load,最差效率还有87.29% @240Vac/25%Load,其四点平居效率为90%。图二、为本案在不同输入电压@10% Load以下,其效率的表现,从图二可看出在10%Load下最差效率还有79.58%的表示。图三、为本案在不同输入电压下的空载待机功耗表现,可以看出本案最差的空载待机功耗是0.06W@264Vac时,其待机功耗是可以符合法规的要求0.15W以下。图四、为本案在不同输入电压/输出瓦数的PF值表现,从图四中可以看出@25% Load下PFC电路还是开启的。图五、为本案在不同输入电压下PFC电路开启/关闭的状况,PFC开启电流在0.225A,PFC关闭电流在0.03A。





       安森美半导体NCP1937是一款先进的Combo IC,它结合PFC(Power Factor Correction)与QR_Flyback(Quasi-Resonant_Flyback)控制器在SOIC-20包装里。在PFC部分,它是属于CrM(Critical Conduction Mode, CrM)的操作模式并带有最大频率限制机制(Maximum frequency clamp),此功能主要在轻载时能有效降低PFC MOSFET切换损失(PFC MOSFET switching losses),以提升PFC在轻载时的整体效率,并且PFC控制器也提供过电压保护与昇压二极体短路保护。另外,NCP1937也提供让使用者透过外部电阻来设定控制PFC的ON/OFF。在QR_Flyback部分,它是属于谷底切换的操作(Valley Switching Operation)并带有谷底闭锁(Valley-LocKout)的功能,此功能能让Power supply大幅减少噪音的发生,并且QR_Flyback控制器也提供内部4mS软启动功能、可调整得过功率保护、输出线圈与二极体短路保护。

       NCP4304是安森美半导体一款全功能的控制器与驱动器,专门为开关电源的同步整流电路而设计,适用于Flyback、Forwoard与HB-LLC等电路架构中。它提供外部可调最短开关时间有助减寄生元件所产生的震荡,NCP4304也提供高达200V的零电流侦测能力、高汲电流能力(Isource=2.5A / Isink=5A)与宽操作电压(30V),让NCP4304适合运用在更宽广的输出电压场合。

场景应用图

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产品实体图

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展示版照片

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方案方块图

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核心技术优势

1. 高整合度IC包含PFC与QR_Flyback控制器 2. PFC控制器为CRM操作模式并带有最大频率的限制 3. PFC控制器提供PFC diode短路保护 4. 依照输入电压不同提供两阶不同的PFC输出电压 5. 可规划PFC的启/闭点 6. QR_Flyback控制器为谷底切换操作并带有谷底闭锁功能 7. QR_Flyback控制器提供频率折返功能并带有最小切换频率的限制以提高轻载效率 8. QR_Flyback控制器提供绕组短路与输出二极体短路保护

方案规格

1. 全电压输入: 90Vac ~ 264Vac 2. 最大输出功率: 24V/3.75A 3. 四点效率 > 90% @(25%, 50%, 75% ,100%) 4. PFC启/闭瓦数为5.4W/ 0.72W 5. 具有过压保护OVP与过温保护OTP 7. 展示板PCB尺寸LxWxH=130mm x 65mm x 32mm

技术文档

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软件Power Test Report
软件BOM
软件Schematics
软件Datasheet
软件Specification

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應用於呼吸器的高效率低待載功耗90W電源適配器方案, 基於ON NCP1937+NCP4304

       近年來直流無刷馬達(BLDC)被廣泛的應用在各產業中,例如:汽車電子產業裡的散熱風扇、雨刷等,或是消費性電子產業裡的家用風扇、空氣清淨機等,或者是醫療產業裡的呼吸器、分析儀等應用。這些直流無刷馬達的應用都需要一個直流電源。另外,環保意識抬頭的風潮下,各國都紛紛制定適配器電源相關的規範來約束,歐盟Code of Conduct(CoC)與美國能源部(DoE)為目前電源業界最常使用得規範,使得整個適配器電源市場都要求高效率與低空載待機功耗。以一個90W的適配器為例,其整體四點平均效率(25%, 50%, 75%, 100%)必須大於89%,空載待機功耗必須小於0.15W。另外,為了符合法規要求線路會搭配功率因數校正電路(PFC),使得適配器在滿載時有好的功率因數表現,因此,適配器在空載待機與搭配功率因數校正電路狀況下,空載待機功耗要小於0.15W幾乎是很難達到,所以勢必要把功率因數校正電路給關閉。因此本方案以呼吸器用的24V-90W電源適配器為例,主要控制器採用安森美半導體Combo IC NCP1937,並搭配二次側同步整流NCP4304來實現本案的訴求高效能、低空載待機功耗。本案會採用NCP1937主要它是一款Combo IC (CrM_PFC+QR_PWM),可大幅簡化PFC與PWM周邊元件,再者,CrM_PFC又非常適合在150W以下的應用場合。另外,NCP1937有提供兩個獨特功能,讓設計者能將它調整成適合各領域的應用。首先,NCP1937有提供依照輸入電壓而提供兩階不同輸出電壓,這功能可以提高低壓輸入時的整體效率,不用再搭配額外電路就可達到,當然這功能也可以讓使用者關閉(Pin18不使用)。NCP1937也提供讓使用者透過外部連接一對地電阻設定來控制PFC的ON/OFF,當NCP1937 Pin 6電壓低於2V時,NCP1937會關閉PFC,反之亦然,這PFC啟閉功能可以提高整體線路在中載與輕載時效率,這功能也不需要額外的線路就可達成。本方案也會使用NCP1937這兩個獨特功能,首先,高/低電壓輸入時,其PFC電壓為設定為400V/193V。再者,將PFC ON/OFF設定輸出瓦數超出5.4W開啟PFC,輸出瓦數低於0.72W關閉PFC,這主要是讓PFC電路在空載時是關閉的,以獲得好的待機功耗表現。在輸出5.4W時開啟PFC,這主要考量呼吸器在運轉時,其電流是高高低低的,不會維持在一定值,為了讓PFC電路不受呼吸器運轉所影響,而開開關關的,因此將瓦數設在5.4W開啟PFC線路,使適配器可在極低輸出瓦數下可以穩定的操作。本方案的呼吸器用的24V-90W適配器電源也應用NCP1937這兩個獨特功能以達到高效率(>90%)與低空載待機功耗(<0.15W)要求。圖一、為本案在不同輸入電壓/輸出瓦數下的效率表現,最佳效率有92.1% @264Vac/75% Load,最差效率還有87.29% @240Vac/25%Load,其四點平居效率為90%。圖二、為本案在不同輸入電壓@10% Load以下,其效率的表現,從圖二可看出在10%Load下最差效率還有79.58%的表示。圖三、為本案在不同輸入電壓下的空載待機功耗表現,可以看出本案最差的空載待機功耗是0.06W@264Vac時,其待機功耗是可以符合法規的要求0.15W以下。圖四、為本案在不同輸入電壓/輸出瓦數的PF值表現,從圖四中可以看出@25% Load下PFC電路還是開啟的。圖五、為本案在不同輸入電壓下PFC電路開啟/關閉的狀況,PFC開啟電流在0.225A,PFC關閉電流在0.03A。


       安森美半導體NCP1937是一款先進的Combo IC,它結合PFC(Power Factor Correction)與QR_Flyback(Quasi-Resonant_Flyback)控制器在SOIC-20包裝裡。在PFC部分,它是屬於CrM(Critical Conduction Mode, CrM)的操作模式並帶有最大頻率限制機制(Maximum frequency clamp),此功能主要在輕載時能有效降低PFC MOSFET切換損失(PFC MOSFET switching losses),以提升PFC在輕載時的整體效率,並且PFC控制器也提供過電壓保護與昇壓二極體短路保護。另外,NCP1937也提供讓使用者透過外部電阻來設定控制PFC的ON/OFF。在QR_Flyback部分,它是屬於谷底切換的操作(Valley Switching Operation)並帶有谷底閉鎖(Valley-LocKout)的功能,此功能能讓Power supply大幅減少噪音的發生,並且QR_Flyback控制器也提供內部4mS軟啟動功能、可調整得過功率保護、輸出線圈與二極體短路保護。

       NCP4304是安森美半導體一款全功能的控制器與驅動器,專門為開關電源的同步整流電路而設計,適用於Flyback、Forwoard與HB-LLC等電路架構中。它提供外部可調最短開關時間有助減寄生元件所產生的震盪,NCP4304也提供高達200V的零電流偵測能力、高汲電流能力(Isource=2.5A / Isink=5A)與寬操作電壓(30V),讓NCP4304適合運用在更寬廣的輸出電壓場合。