新一代PFC + Flyback Combo IC之IC解决方案

随着全球社会经济的发展，资通讯产品的发达，随时随地能上网是现代人生活的常态。但各国政府在面对有限的资源及地球暖化的问题上，往往会以能源效率的提高做为减碳的手段之一。其中最具代表性的以欧盟委员会制定的外接式电源供应器法规(Code of Conduct on Energy Efficiency of External Power Supplies)，于2013年10月29日公布了第5版，取代了2009年4月所发布的版本，更加严格的制定电源供应器的节能规范。相较于第4版的内容，一举将输出功率50~250W的应用，其平均转换效率需求从87%提升至89%，无载功耗则从0.5W降至0.15W。此外，更新增了满载额定输出电流10%负载条件的效率必需大于79%，如Table 1所示。在各界严峻的能源规范之下，尤其以EN61000-3-3法规规定，电源输入功率>75W必需加入功率因素矫正器(Power Factor Correction, PFC)的条件，对各电源专业制造厂如何在不增加太多成本的条件下，又能够符合更严格的法规规范成为电源供应器设计的新挑战。

Table 1. 50~250W外接式电源供应器法规比较

通嘉科技推出输出功率适用于70~150W之LD7790方案，整合PFC及Flyback控制电路于单一封装，相较于离散式控制器方案，除可以满足未来新能源法规的要求外，并能减少外部线路零件数量简化设计。除了可降低系统外部零件成本，还能藉由协调两个功率级的控制，达到最佳的能源转换效率，本文以LD7790如何能作到效率改善做一技术上的说明，并搭配实测数据相互比较验证，并以一设计范例90W电源(19V输出)展现其效率及待机功耗。请参照Table 2步骤介绍。

Table 2. LD7790效率及待机功耗改善方案

应用线路简图如Fig 1所示。

Fig 1. LD7790应用线路简图

临界导通模式(BCM, Boundary Conduction Mode)PFC

一般常用的PFC能量控制模式有分连续导通模式(CCM, Continuous Condition Mode)及临界导通模式。连续导通模式会将电感涟波电流维持在一定的水平，可有效降低电感电流，一般而言常用于输出功率大于250W应用。有别于连续导通模式，临界导通模式具有零电流切换的特性，可以改善二极管反向恢复的功率损失，再搭配MOSFET谷底电压切换技术，可有效改善系统的切换损失(Switching Loss)。相关的波形示意图如Fig 2所示。

LD7790主要应用于输出功率70~150W之电源转换器，采用临界导通模式并配合MOSFET谷底电压切换技术来改善系统切换损失，以获得较高的系统效率。

Fig 1. PFC于连续导通模式及临界导通模式之波形示意图

较低的PFC输出电压设定

为了应用于全球通用电力系统(100~240VAC)，PFC输出电压通常会设定于380~400VDC， 但是在低输入电压下(100~120VAC)使用临界导通模式PFC，配合较低的PFC输出电压，例如230~300VDC，可降低PFC切换频率及降低 MOSFET turn-off损失达到改善系统效率。

Fig 3是19V/90W 电源转换器于115VAC/60Hz输入下搭配不同的PFC输出电压系统效率测试结果：

Fig 2. PFC Vo vs. System Efficiency

轻载输出下关闭PFC功能

PFC除了提供输入功率大于75W下之功率因素校正外，还能够提升Flyback输入电压以改善低压输入及重载输出下的导通损失。当输出功率需求下降时，PFC的切换损失将导致系统效率低落。LD7790能提供负载侦测功能，可于轻载的情况下视需求关闭PFC以提升系统效率及待机损耗。

如Fig 4所示，19V/90W 电源转换器PFC启动和关闭后的系统效率，当输入电压115VAC时、25%输出负载条件下，关闭PFC可改善效率近2%，当输入电压在230VA时、25%输出负载条件下，关闭PFC可改善效率约4.5%。

Fig 3. PFC on/off vs. Efficiency

PFC启动和关闭后的无载待机损耗测试结果如Table 3所示，将PFC关闭后可降低约0.015W的待机损耗，10%输出负载效率如Table 4所示，PFC关闭后的系统效率改善约2~5%。LD7790提供负载侦测功能，可设定输出负载低于25~50%下关闭PFC，在输入功率小于75W下改善平均系统效率及无载损耗。

Table3. PFC on/off vs. No Load Power Consumption

Table4.     PFC on/off vs. 10% load of rated output current efficiency

Flyback 谷底电压切换技术及降频控制

由于前级 PFC 电路提升了后级 Flyback 的输入电压，改善了 Flyback 传导损失的问题， 如何进一步改善 Flyback 切换损失成为提升整体效率的关键。利用 Flyback 变压器在非连续导 通模式下，MOSFET 寄生电容跟变压器回路共振特性做谷底电压切换，是最简易也是最常用 的切换损失改善方案。此功能的缺点是，当输出负载变轻时，因变压器充放电时间变短而导致 切换频率提升，造成轻载输出下切换损失反而变高，如 Fig 5 所示。

LD7790 内含 Flyback 限频功能，除了解决轻载输出下进入高频切换的问题，还能够更进 一步将轻载输出下的切换频率限制最低 30kHz 以内，以改善轻载输出下的系统效率。此外， LD7790 还内建脉冲(Burst mode)模式，让极轻载至无载输出下的切换频率更进一步降低。 Fig 6 为轻、中、重载下的切换波形示意图。

搭配 X 电容的电源转换器需并联能量泄放电阻，以提供市电移除后 X 电容能量的泄放路 径，避免插头拔除后接触人体产生触电意外。 根据 IEC60950 及 IEC60065 规范，在市电移 除后的一秒内，X 电容上的电压必需低于原先市电峰值的 37%，等同 X 电容值及能量泄放电 阻值需小于1个 RC 常数，如下所示：

CX-CAP × RDISCHARGE < 1

以输出 90W 电源转换器应用为例，常用的 X 电容容值约 0.33~0.47µF。假设选用了 0.33µF， 需搭配至少 3MΩ的能量泄放电阻，而该阻值在 264AC 的待机损耗会增加 23mW。

LD7790 提供主动式 X 电容泄放功能，透过控制 IC 内部的高压开关，在接上市电操作时 开关不导通，不会像有额外的能量损失，在市电移除后会立即启动高压开关并透过 HV Pin 回 路对 X 电容进行能量泄放。X 电容放电回路及实测波形图如錯誤! 找不到參照來源。所示。 LD7790 主动式 X 电容泄放功能已藉由国际认证单位「挪威商联广验证公司(Nemko)」，测试 通过 IEC 60950-1 安规验证。

范例应用电路效率及待机损耗实测

Fig 8 是一输出为 19V/90W 范例应用线路，可应用于市电压 100~240VAC / 47~63Hz ，

基于此设计系统效率测试结果如 0，无载功耗及极轻载系统效率结果如 Table 6 所示。

结论

LD7790 是内含 PFC 及 Flyback 于 SOP-16 单一封装的控制器，针对输入瓦数大于 75W

需功率因素校正电源转换器应用，提供临界导通模式 PFC 及不连续模式 Flyback 控制、谷底 电压切换技术、内建 PFC ON/OFF 控制及主动式 X 电容泄放…等多项效率改善技术，在范例 应用线路实测中，系统平均效率达 90.3%，10%输出负载下系统效率达 87.65%，无载待机功 耗仅 0.065W，能满足新的效率规范，相较于离散式控制器方案还能够减少外部线路零件数量， 以降低外部零件成本，适用于输出功率 70~150W 电源转换器设计。