行动装置制造商不断增加电池容量，以支援更多的社交网路、串流视讯、游戏、超高解析度，以及其他会大量消耗电力的功能。这些更大的电池需要功率更高的电源适配器(Power Adapter)，以减少充电次数。
由于制造业者不愿针对其最新推出的智慧型手机及平板提供更大体积的充电器，所以他们必须在相同尺寸的适配器内提升功率密度。这需要更小的元件及更高的效率，以确保制造商对于适配器外壳指定的散热要求符合安全规范。

此外，预定于2016年生效的外置式电源新规定，其所要求的最低效率水准，是一般常用于适配器的非同步返驰式电源供应器拓扑几乎不可能达到的。透过二次同步侧整流(Secondary-side Rectification)技术能增加效率，让适配器可以符合这些新规定并保持较低的外壳温度，但是这个方法没有谨慎考虑成本和尺寸可能会增加至让人无法接受的程度。新技术必须能够改善效率，同时还要能将达到效能所需的元件数量保持在最少，且不能增加适配器成本和尺寸。

旅行适配器将输入的电压(90Vac~265Vac)降压至适用于可携式装置。最具成本效益的离线转换拓扑式非同步返驰式转换器，能提供足够的高效率来符合目前的国际电源法规。

提高效率/维持温度　二次侧同步整流拓扑立功

被设计用来充电高容量电池的新型高功率旅行适配器，若采用相同非同步返驰式转换器拓扑，则会发散出明显高出许多的热能，如此会导致外壳温度高至让人无法接受。再者，随着国际外部电源法规提高对于最低效率要求，非同步方法会面临实际应用上限制，且无法达到最低效率目标。

目前市面上常见的10W(5V,2A)输出电源适配器，平均效率约75~80%，换言之其负载条件下散热则是2~2.5W。适配器当然会变热，或许仍在可管理范围内，其用于这些适配器的非同步返驰式转换器运作仍正常。在15W功率水准时，相同的80%效率会造成功率损失多出50%，适配器外壳温度明显升高。

然而，将在2016年生效的新标准要求最低效率需>84%，这对于标准的反驰式转换器而言是非常困难的目标。改用二次侧同步整流拓扑能将效率提升至高于最低规定水准，并将旅行适配器外壳温度维持在允许的程度。二次侧同步整流必须要考量将所需外部元件减至最少。

非同步与同步整流器之比较

为了更清楚说明，我们快速分析传统整流二极体及同步整流器(SR)的功率损失，可以清楚看出其中的不同。图1为非同步反驰式转换器与二次侧同步设置，非同步情况中的功率损失是相当明显的。在非同步方法中，二极体的顺向电压和流过二极体的平均电流造成大部份的功率损失，相较下同步方法中MOSFET功率损失更是复杂。


图1　简化的返驰式转换器具有A：非同步输出及B：同步输出。
图2显示非同步整流二极体和同步整流MOSFET在功率损失方面的不同。当使用一个同步FET时，导通损失、闸驱动损失、本体二极体(Body Diode)损失及切换损失的总和构成了总功耗损失。导通损失视同步FET的导通电阻(On-resistance)而定，闸驱动损失则大部分是根据FET的寄生电容及切换频率，切换损失则是根据不同因素的组合，但是最重要的是它将MOSFET从开通转变为关的所需时间。


图2　二极体vs二次侧MOSFET的功率损失
最后，关于本体二极体这个部分，在不连续电流模式(DCM)拓扑中有两个损失项目。首先是在同步整流器之前，一次侧FET关闭和电流开始流入变压器的次级侧之间的这段期间内的电流量。其次，则是当次级侧同步整流控制器停止SR FET，以及次级侧的电流归零的时间。在某些实作中，这个截止时间(Dead-time)可能还是高电流。一般自我驱动(不受一级的直接控制)的二次侧转换器会根据简单的控制技术，以及SR FET的性质来决定何时停用SR FET，而且通常会过早停用次级侧FET。

在这截止区间内，输出电流会持续流入，然而是流入MOSFET的本体二极体，而非MOSFET本身。即使是标准二级体，本体二极体的顺向电压还是较之高出甚多，约1V。由于次级电流会流过本体二极体，就算每周期时间有限，但是损失项目相加起来的电量还是很大。最常用来解决这个问题的方法，是在SR MOSFET使用一个平行萧特基二级体(Schottky Diode)(图1，输出B，元件2)以降低截止时间这个期间内的顺向压降，进而减少功率损失。

图2比较非同步及同步方法的功率损失。同步情境中有两条功率损失曲线，一条使用同步MOSFET及其本体二极体与时序控制方案；第二条则是使用一个并联萧特基二极体。电力的节省显而易见，但是对于设计尺寸和成本的增加也有明显影响。

降低损失　智慧数位控制新选择

另一种方法是使用智慧型数位控制去监控二次侧同步MOSFET的漏极和源极的电压，以控制整流FET的关闭，以及停用FET，留下最少的截止时间，将本体二极体的损失降至最低。以戴乐格半导体推出的iW671二次侧同步整流控制器为例，该元件整合数位智慧型关闭控制电路，可以周期性监测MOSFET的漏-源极电压，随着接近临界值，它会动态调整同步MOSFET的导通时间并确定MOSFET维持关闭， 即使是FET上可能有高电压振铃的期间。

这种智慧型关闭控制方法，能缩短截止区间至50ns，如此就不须在MOSFET上使用一个并联萧特基二极体，在维持高效率好处的同时，还能将成本及尺寸减至最少。此技术的智慧型本质，使其能和各种类型的MOSFET共同运作，如此就毋须为了降低本体二极体的功率损失并且能优化所选择的FET。图3是采用iW671模拟平行萧特基二极体的使用后，各项功率损失项目的情况，此元件能将本体二极体的损失降至最低，且不会因为此元件的加入而增加成本及尺寸。


图3　二次侧同步MOSFET的功率损失项目解析
提升旅行适配器效率　iW671展妙用
iW671此项数位技术的优势是能够在低电压下正常运作，此优势对于恒压、恒流的旅行适配器十分重要。大部分的二次侧控制电路是从转换器的输出获得电源供应，因此只能在一定的电压以上运作，这便限制转换器在充电应用，例如旅行适配器中的效率。iW671整合脉冲线性稳压器电路，让此装置能直接从二次未整流的输出来供电给自己，峰值检测此电压并启用SR电路，并在输出电压低至2V时仍能正常运作。此种功能让恒流-恒压(CC-CV)旅行适配器能正常运作，毋须增加任何额外元件。

使用iW671 SR控制IC，工程师能设计出效率接近90%的旅行适配器。图4为智慧型手机旅行适配器的典型应用电路图，采用Qualcomm Quick Charge 2.0技术，可快速充电高容量电池。


图4　非同步采用Qualcomm Quick Charge 2.0 Class A技术的适配器
此种快速充电A阶段(Quick Charge Class A)规格，能在输出功率高达15W的情况下提供三种输出电压，分别是5V、9V及12V，在5V输出电压的设定下，平均效率达81%。在藉由加入iW671二次侧同步整流电路(图5)后，于5V的平均效率可增至86%，较非同步方法增加5%。


图5　采用Qualcomm Quick Charge 2.0 Class A技术的适配器及二次侧同步整流
符合规范　智慧型数位同步整流成关键

效率方面有明显的进展，足以符合美国能源部的外部电源法规Level VI，以及欧盟的行为准则第五版、第二阶自愿性标准，这两项法规都将于2016年生效。藉由提高效率，热能管理变得比较容易，因为产生较少的热。假定此适配器的实际尺寸几乎相同，则效率86%的解决方案能有效的降低外壳温度，并让关键元件的温度保持在较低的状态。在实际运作条件下进行代表性单元的测试，比较图4和图5，显示只是改用同步方法，就让外壳温度下降8℃。测量电路板上的关键元件，全负载下温差高达12℃，效率的小幅提升促成了温度的明显下降。

针对用于充电可携式电子装置的适配器，于返驰式转换器的二次侧采用智慧型数位同步整流，能让外壳温度降低，实现符合外部电源法规的解决方案。在此同时，由于毋须使用二次侧并联萧特基二极体，因此能维持最低的材料清单(BOM)成本及适配器外壳尺寸。

(本文作者为戴乐格半导体电源转换事业群资深行销协理)