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

       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。

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

1. 高整合度IC包含PFC與QR_Flyback控制器 2. PFC控制器為CRM操作模式並帶有最大頻率的限制 3. PFC控制器提供PFC diode短路保護 4. 依照輸入電壓不同提供兩階不同的PFC輸出電壓 5. 可規劃PFC的啟/閉點 6. QR_Flyback控制器為谷底切換操作並帶有谷底閉鎖功能 7. QR_Flyback控制器提供頻率折返功能並帶有最小切換頻率的限制以提高輕載效率 8. QR_Flyback控制器提供繞組短路與輸出二極體短路保護

►方案規格

1. 全電壓輸入: 90Vac ~ 264Vac 2. 最大輸出功率: 24V/3.75A 3. 四點效率 > 90% @(25%, 50%, 75% ,100%) 4. PFC啟/閉瓦數為5.4W/ 0.72W 5. 具有過壓保護OVP與過溫保護OTP 7. 展示板PCB尺寸LxWxH=130mm x 65mm x 32mm

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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。