筆記本電腦電源適配器輕型化方案

文/任晨

筆記本電腦電源適配器輕型化方案

文/任晨

電源適配器是筆記本電腦配件中重量最重的配件之一。通過對(duì)電源適配器的輕型化設(shè)計(jì)，可以到達(dá)降低筆記本電腦運(yùn)輸成本的目的。輕型化電源適配器的應(yīng)用也可以減小筆記本電腦的包裝尺寸。目前筆記本電腦的電源適配器是使用高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)。由于高頻開關(guān)電源零件尺寸的原因，導(dǎo)致高品開關(guān)電源設(shè)計(jì)的電源適配器的重量和尺寸都無(wú)法縮減。本次研究是使用甚高頻電源開關(guān)設(shè)計(jì)來(lái)獲得重量和尺寸的大幅縮減，且能夠提供足夠高的輸出功率的電源適配器。

筆記本電腦配件 電源適配器 輕型化 甚高頻開關(guān)電源

1 問題描述

目前主要包括兩種電源類型：線性電源和開關(guān)電源。

對(duì)于線性電源而言，其內(nèi)部電容以及變壓器的大小和AC市電的頻率成反比，由于當(dāng)前一直采用的是50-60Hz頻率的AC市電，所以其變壓器以及電容的個(gè)頭往往都相對(duì)比較大。由此可見，個(gè)人PC用戶并不適合用線性電源。

開關(guān)電源可以通過高頻開關(guān)模式很好的解決這一問題。對(duì)于高頻開關(guān)電源而言，AC輸入電壓可以在進(jìn)入變壓器之前升壓。隨著輸入電壓的升高，變壓器以及電容等元器件的個(gè)頭就不用像線性電源那么的大。

受益于硅器件封裝不斷的發(fā)展，開關(guān)頻率已經(jīng)推到了兆赫茲級(jí)別，被動(dòng)元件的體積不斷減小，變換器提高了功率密度，但是高開關(guān)頻率帶來(lái)的高開關(guān)損耗、高磁芯損耗使得整個(gè)系統(tǒng)損耗大幅增加。

2 解決方案

VHF是Very High Frequency的縮寫，即甚高頻。在電源領(lǐng)域是指頻大于10Mhz的電子硅器件開關(guān)。

甚高頻開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是很明確的，電源適配器的尺寸，重量和成本是取決于被動(dòng)元件。動(dòng)態(tài)開關(guān)頻率控制是最好的解決方案。在30Mhz工作頻率下，功率在100瓦級(jí)的電源適配器使用的電感和電容在100nH和100pF范圍。在這個(gè)量級(jí)，會(huì)使用小型、空氣電感和變壓器。這樣的變化對(duì)電源成本和制造有很大的好處。

所以，使用甚高頻開關(guān)是減小電源適配器重量的一種可行的出路，開關(guān)工作頻率在30Mhz-100Mhz。這個(gè)工作頻率是現(xiàn)有高頻開關(guān)工作頻率的1000倍

然而，隨著開關(guān)工作頻率的大幅提高，功率密度也是被特定因素制約的：

2.1 開關(guān)損耗

開關(guān)管工作狀態(tài)有兩種：斷開狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)。斷開狀態(tài)時(shí)，流過開關(guān)的電流為0，雖然開關(guān)兩端電壓不為0，但P=UI=0，所以不消耗功率。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)上流過電流，但開關(guān)兩端電壓為0，同樣P=UI=0。實(shí)際上開關(guān)器件開關(guān)時(shí)總有一個(gè)過渡狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗。而且開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比。

開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和截止損耗。導(dǎo)通損耗產(chǎn)生的原因：導(dǎo)通瞬間開關(guān)器件電壓的不能馬上降為0，而電流從0已上升，因此在開關(guān)管上產(chǎn)生電壓電流交替現(xiàn)象，而產(chǎn)生損耗電壓不能馬上降為0的原因是開關(guān)器件上有寄生電容，電容上電壓不能突變，即不能馬上降為0，從而產(chǎn)生功率損耗。在導(dǎo)通過程中，寄生電容的儲(chǔ)能通過開關(guān)器件放掉而損失。截止損耗產(chǎn)生的原因：截止瞬間開關(guān)器件電流不能馬上降為0，而電壓已經(jīng)從0上升，在開關(guān)器件上產(chǎn)生電壓電流交替現(xiàn)象。電流不能馬上為0的原因是，與開關(guān)器件連接的電路中有寄生電感，阻礙電流變化。并且逆變電路中變壓器是電感元件，當(dāng)開關(guān)突然關(guān)斷時(shí)，變壓器電感元件電流不能突變，并會(huì)產(chǎn)生很大的反激電壓，阻礙電流變化，通過電路加在開關(guān)管上，產(chǎn)生比較大的損耗。提高開關(guān)速度不但不能消除損耗，反而會(huì)使反激電壓越大，損耗更大 。

2.2 磁材損耗

磁材損耗是和開關(guān)頻率的k次方成正比的。磁材是限制頻率重要因素，外加上磁性元件一般能承受的溫升也就50到60攝氏度。

磁材損耗是磁芯材料內(nèi)交替磁場(chǎng)引致的結(jié)果。某一種材料所產(chǎn)生的損耗，是操作頻率與總磁通擺幅(ΔB)的函數(shù)。磁芯損耗是由磁芯材料的磁滯、渦流和剩余損耗引起的。

2.3 其他限制因素

EMI和干擾、系統(tǒng)散熱、電容和電感的寄生效應(yīng)等。

3 甚高頻電源適配器的制約因素的應(yīng)對(duì)方法

3.1 開關(guān)損耗

使用高集成的新型硅芯片（比如：美國(guó)麻省理工的FINsix團(tuán)隊(duì)研發(fā)的VHF開關(guān)）。

3.2 磁材損耗

通過使用空磁芯變壓器線圈解決磁材損耗。

3.3 EMI和干擾

通過布線設(shè)計(jì)和開關(guān)工作頻率選擇（EMI仿真圖上選擇轉(zhuǎn)擇點(diǎn)座位最佳開關(guān)工作頻率）。

3.4 系統(tǒng)散熱

采用Metal core PCB技術(shù)，熱阻一般為4℃/W。另一種叫DCB的技術(shù)，用陶瓷基板散熱，器件從陶瓷上表面到下表面的熱阻基本為0.4℃/W。

4 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果與效益

以現(xiàn)有市場(chǎng)主流PC品牌廠商的電源適配器為例，某甚高頻適配器電源的重量分別是

（惠普）Probook 5310m的15% 和（惠普）Pavilion dv6的12%。

以每個(gè)包裝運(yùn)輸單位（80 ～ 90臺(tái)筆記本電腦）計(jì)算，每個(gè)包裝單位可以增加20臺(tái)筆記本電腦，如圖1。

[1]Dr.Anthony Sagneri,VHF Power： The SMPS Revolution.Sep 2,2013.

[2]宋軍軍.高頻開關(guān)電源開關(guān)損耗的成因及改進(jìn)方法[J].電信科學(xué),1998(12).

[3]劉賢興.新型智能開關(guān)電源技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2005：139-144,153-197.

作者單位 惠普貿(mào)易（上海）有限公司 上海市 201203

任晨（1981-），男，上海市人?，F(xiàn)供職于惠普貿(mào)易（上海）有限公司。研究方向?yàn)檩p型化電源適配器在記本電腦配件中的應(yīng)用。