笔记本电脑电源适配器轻型化方案

文/任晨

笔记本电脑电源适配器轻型化方案

文/任晨

电源适配器是笔记本电脑配件中重量最重的配件之一。通过对电源适配器的轻型化设计，可以到达降低笔记本电脑运输成本的目的。轻型化电源适配器的应用也可以减小笔记本电脑的包装尺寸。目前笔记本电脑的电源适配器是使用高频开关电源设计。由于高频开关电源零件尺寸的原因，导致高品开关电源设计的电源适配器的重量和尺寸都无法缩减。本次研究是使用甚高频电源开关设计来获得重量和尺寸的大幅缩减，且能够提供足够高的输出功率的电源适配器。

笔记本电脑配件 电源适配器 轻型化 甚高频开关电源

1 问题描述

目前主要包括两种电源类型：线性电源和开关电源。

对于线性电源而言，其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比，由于当前一直采用的是50-60Hz频率的AC市电，所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。由此可见，个人PC用户并不适合用线性电源。

开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言，AC输入电压可以在进入变压器之前升压。随着输入电压的升高，变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。

受益于硅器件封装不断的发展，开关频率已经推到了兆赫兹级别，被动元件的体积不断减小，变换器提高了功率密度，但是高开关频率带来的高开关损耗、高磁芯损耗使得整个系统损耗大幅增加。

2 解决方案

VHF是Very High Frequency的缩写，即甚高频。在电源领域是指频大于10Mhz的电子硅器件开关。

甚高频开关的优点是很明确的，电源适配器的尺寸，重量和成本是取决于被动元件。动态开关频率控制是最好的解决方案。在30Mhz工作频率下，功率在100瓦级的电源适配器使用的电感和电容在100nH和100pF范围。在这个量级，会使用小型、空气电感和变压器。这样的变化对电源成本和制造有很大的好处。

所以，使用甚高频开关是减小电源适配器重量的一种可行的出路，开关工作频率在30Mhz-100Mhz。这个工作频率是现有高频开关工作频率的1000倍

然而，随着开关工作频率的大幅提高，功率密度也是被特定因素制约的：

2.1 开关损耗

开关管工作状态有两种：断开状态和导通状态。断开状态时，流过开关的电流为0，虽然开关两端电压不为0，但P=UI=0，所以不消耗功率。导通状态时，开关上流过电流，但开关两端电压为0，同样P=UI=0。实际上开关器件开关时总有一个过渡状态，会导致开关损耗。而且开关损耗与开关频率成正比。

开关损耗包括导通损耗和截止损耗。导通损耗产生的原因：导通瞬间开关器件电压的不能马上降为0，而电流从0已上升，因此在开关管上产生电压电流交替现象，而产生损耗电压不能马上降为0的原因是开关器件上有寄生电容，电容上电压不能突变，即不能马上降为0，从而产生功率损耗。在导通过程中，寄生电容的储能通过开关器件放掉而损失。截止损耗产生的原因：截止瞬间开关器件电流不能马上降为0，而电压已经从0上升，在开关器件上产生电压电流交替现象。电流不能马上为0的原因是，与开关器件连接的电路中有寄生电感，阻碍电流变化。并且逆变电路中变压器是电感元件，当开关突然关断时，变压器电感元件电流不能突变，并会产生很大的反激电压，阻碍电流变化，通过电路加在开关管上，产生比较大的损耗。提高开关速度不但不能消除损耗，反而会使反激电压越大，损耗更大 。

2.2 磁材损耗

磁材损耗是和开关频率的k次方成正比的。磁材是限制频率重要因素，外加上磁性元件一般能承受的温升也就50到60摄氏度。

磁材损耗是磁芯材料内交替磁场引致的结果。某一种材料所产生的损耗，是操作频率与总磁通摆幅(ΔB)的函数。磁芯损耗是由磁芯材料的磁滞、涡流和剩余损耗引起的。

2.3 其他限制因素

EMI和干扰、系统散热、电容和电感的寄生效应等。

3 甚高频电源适配器的制约因素的应对方法

3.1 开关损耗

使用高集成的新型硅芯片（比如：美国麻省理工的FINsix团队研发的VHF开关）。

3.2 磁材损耗

通过使用空磁芯变压器线圈解决磁材损耗。

3.3 EMI和干扰

通过布线设计和开关工作频率选择（EMI仿真图上选择转择点座位最佳开关工作频率）。

3.4 系统散热

采用Metal core PCB技术，热阻一般为4℃/W。另一种叫DCB的技术，用陶瓷基板散热，器件从陶瓷上表面到下表面的热阻基本为0.4℃/W。

4 实际应用结果与效益

以现有市场主流PC品牌厂商的电源适配器为例，某甚高频适配器电源的重量分别是

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

以每个包装运输单位（80 ～ 90台笔记本电脑）计算，每个包装单位可以增加20台笔记本电脑，如图1。

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

[2]宋军军.高频开关电源开关损耗的成因及改进方法[J].电信科学,1998(12).

[3]刘贤兴.新型智能开关电源技术[M].北京：机械工业出版社,2003.

[4]周志敏,周纪海,纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用[M].北京：人民邮电出版社,2005：139-144,153-197.

作者单位 惠普贸易（上海）有限公司 上海市 201203

任晨（1981-），男，上海市人。现供职于惠普贸易（上海）有限公司。研究方向为轻型化电源适配器在记本电脑配件中的应用。