【产品】代替传统峰值功率输出适配器的PWM控制器KP201C，开关频率最大支持130Khz

时间： 2021-09-21 来源：必易微

技术问答

目前消费电子产品中，打印机、电动工具和按摩椅等产品得到越来越广泛的应用。这些电子产品对电源供应有一个共同的要求：短时间内会有较大的峰值电流需求，适配器需要提供应用所需的最大功率。这对电源系统的设计提出了新的挑战。

以 24V 2A 输出，瞬时过载电流要求 4A 为例。基于目前传统的定频 65Khz 的峰值电流控制器方案 (如 KP201)，如果按照 2A 满载设计在 65Khz 频率段，通常其满载的 CS 峰值为 OCP 阈值的 80%-90% ，如图1 所示。

图 1 电感电流峰值示意图

而输出功率的计算公式为：

公式 1

从上式可以看出，输出功率的大小，在感量与开关频率固定的条件下，正比于 IP1 的平方 (电流纹波系数较大时，忽略 IP2 的影响，甚至在 DCM 下， IP2 为零)。所以，将 2A 满载设计在 65Khz 频率段，其系统过流点大约在 1.2-1.4 倍的满载电流。如 Fig1 所示，蓝色 CS 波形随着负载加重， CS 波形逐渐上移直到 CS 峰值触碰 OCP 阈值，系统达到最大功率输出并将进入过载保护，其过载电流约 2.4-2.8A 远小于 4A。即使屏蔽过载保护，因为 CS 峰值被 OCP 阈值 1V 限制，负载大于过载电流时，由于输入功率受限，输出电压将下跌。根据伏秒平衡的原理，原边开通时间将变短，电感电流起始值 IP2 将变高，如 Fig1 中红色虚线波形。根据输出功率计算公式，IP2 变高, IP1 为 OCP 阈值，输出功率将降低。由此可见，该方案无法满足输出 24V 4A 的峰值功率要求。

目前普遍的方案采用过裕量设计的方式：将峰值功率 24V 4A 作为系统满载功率设计。从公式 (1) 可以推出：

公式 2

取 CS 梯形波的中值为：ILm_mid，并定义电感电流纹波系数：

图 2 电流纹波系数K定义示意图

公式 3-5

将（3）-（5）带入公式（2），可以得出：

公式 6

最低电压输入时，峰值电流最大，此时为变压器设计的最“恶劣”条件。所以，以最低输入电压及其对应的工作占空比来计算感量：

公式 7

从电感量的计算公式 (7) 可以看出输入功率增大一倍后，相同条件下，感量将减小一半。同时，原 24V 2A 系统的 K 值通常设置为 0.3-0.4 左右，为了减小 24V 4A 系统变压器的体积，通常将纹波系数K设置得更大 (K 取 0.5-0.7)。所以， 24V 4A 系统电感量为原来的三分之一左右 (K 值按原系统的 1.5 倍估计)。

以某厂商 24V 2A ，过载为 4A 的峰值功率电源样机为例，其电流纹波系数取 0.6 ，感量为 390μH ，其输出负载特性如下图所示。

图 3某厂商24V2A峰值功率适配器输出特性

该设计方案缺点非常明显：

第一，器件电流应力大：从峰值功率输出时，从公式 (1) 可以看出，输出功率增大一倍，电感量减小到原来的三分之一，原边电流峰值将是 24V 2A 满载设计系统的 2 倍多。因此，对于长时间工作的 24V 2A 状态，过裕量设计，不利于 BOM 成本控制。

第二，平均效率低：系统在 2A 状态时，处于半载工作区间，工作频率低 (样机工作频率为 39Khz)，峰值电流相比工作在 65Khz 时要大，电流有效值更高，影响系统的平均效率。且在 4A 输出时，因为纹波系数小，电感电流峰值与有效值更大，系统损耗更多。因此系统对热设计有更高的要求，散热器成本更高。

第三，可靠性差：系统并没有对长时间工作在重满载 (负载大于 2A) 提供过流保护。且为保证系统能提供足够大的峰值电流输出，系统通常屏蔽芯片原有的过载保护功能。仅仅依靠外置 OTP 保护，不足以保障系统的稳定可靠运行。

一个理想的设计是在系统不过裕量设计的前提下，适配器既可以提供 2A 额定功率，又可以满足 4A 峰值功率需求，并且高效可靠地运行。

针对有峰值功率需求的应用，必易微电子推出集成双重过载保护 (OLP、Turbo OLP) 的峰值功率电流模式PWM控制器——KP201C 。并支持 CT 脚外接电容可编程峰值功率输出的允许时间，在预设时间内提供了高于最大持续输出功率的峰值功率。峰值功率输出期间，开关频率最大倍频至 130Khz 且电流峰值最高提升到 OCP 阈值的 1.5 倍。设计人员可开发出功率密度更高的，更高效，更可靠稳定的支持峰值功率输出的适配器。

●最高 130Khz 的峰值功率输出，支持更紧凑的峰值功率输出适配器的设计；

●额定负载定频 65Khz ，兼容传统控制器；

●支持时间可编程的过载保护，对不同峰值功率输出时间要求，提供灵活的设计；

●内置斜波补偿，精简电路设计；

●输出 OVP (CS OVP)，提供精确可靠的输出 OVP 保护；

●外置 OTP ，提供灵活可靠的 OTP 保护；

●内置绿色节能模式与打嗝模式；

●SOP-8 封装

主要特色

典型应用框图

图 4 KP201C典型应用框图

与传统方案比较

某厂商设计的 24V 2A 电机驱动电源采用传统的控制器方案，通过将 OLP 电流提高的方式来满足峰值功率输出的要求，并屏蔽了过载保护。系统额定负载 (2A) 工作时，开关频率为 39Khz。其系统特性与 KP201C 设计的系统特性对比如下：

●产品型号：KP201CSGA

●输入电压：90–265VAC

●额定输出电压：24VDC

●额定输出电流：2A

●过载保护电流：2.2-2.4A

●最大峰值电流：>4A

应用实例

图5 Board Size(in mm):Lx Wx H=96×45×26

实测数据

●系统效率：

90~265VAC 输入范围，满足六级能效要求。典型输入电压下 (115Vac & 230Vac) ，系统效率整体优于六级能效标准接近两个百分点。

图 6 过载保护电流 (OLP) 与最大峰值输出电流 (Turbo OLP)

OLP电流测试结果在2.22A--2.32A，线调整率为4.5% ；Turbo OLP峰值功率最大输出电流为4.51-5.6A ，为OLP电流两倍以上；

图 7

●典型波形

1.OLP 保护波形

图 8

2.Turbo 模式工作

图 9

3.Turbo OLP 保护

图 10

●EMI 表现

传导：230Vac 输入，24V/2A 输出时，传导测试余量>6dB。

图 11

空间辐射：230Vac 输入，24V/2A 输出时，空间辐射测试余量>6dB。

图 12

KP201C是具有峰值功率控制功能的电流模式PWM控制器并集成可靠的双重过载保护。峰值功率输出阶段， PWM控制器开关频率将根据负载状况提高，最大支持130Khz 。倍频工作时间可通过外置电容调节，针对不同系统，大大提高了设计灵活性。工程师朋友可按照远低于峰值功率的平均功率来设计散热器，并能够使用较低电流应力的功率器件来设计系统，从而节省空间与成本；同时，芯片集成了外置 OTP 保护功能，避免出现异常过热而损坏系统。

综上所述， KP201C 是代替传统峰值功率输出适配器的理想方案！

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必易微（KIWI）电源解决方案产品选型指南

描述- 深圳市必易微电子股份有限公司 (股票代码：688045) 拥有半导体领域的资深专家和高效的管理团队，主要从事高性能模拟及数模混合集成电路的研发和销售，在杭州、厦门、上海、成都、中山等地设有研发中心及分支机构。必易微高度重视知识产权的开发和保护，已拥有多项集成电路和系统应用的国际、国内专利。主营产品包括 AC-DC、DC-DC、驱动 IC、线性稳压、保护芯片、电池管理等，为消费电子、工业、通讯、计算机等领域客户提供完整电源解决方案和系统集成。

型号- KP3282,KP40611W,KP3281,KP23130M,KP311BH,KP212,KP2264H,KP206D,KP81106A,KP30173M,KP2591A,KP206A,KP206B,KP36374,KP36373,KP2066,KP2064,KP8530X,KP41282,KP3210B,KP22066A,KP2182,KP2062,KP30172M,KP21822M,KP35052,KP36384,KP35053,KP22308,KP36383,KP36382,KP35051,KP22306,KP40511,KP40512,KP23132M,KP23132K,KP23162,KP2262H,KP23161,KP23160,KP1511,KP35026,KP23264M,KP41260,KP41140,KP41261,KP2806A,KP41141,KP41262,KP41142,KP201,KP30262,KP30264,KP206,KP35032,KP35033,KP30261,KP35031,KP22315A,KP40512M,KP40612,KP3126,KP21824M,KP21824L,KP40611,KP23267,KP23267M,KP21825C,KP4050,KP30181H,KP32652,KP30182H,KP32651,KP35001,KP36573,KP36572,KP40561P,KP22066,KP22064,KP41240,KP41361,KP3501A,KP41241,KP23151,KP22062,KP23150,KP22305L,KP30362,KP2315A,KP2206A,KP22305A,KP22035,KP22033,KP2813A,KP32511,KP40613QD,KP30183M,KP32512,KP36675,KP36674,KP35101,KP36673,KP22306A,KP21827M,KP23132,KP23131,KP23130,KP41340,KP30182M,KP30183H,KP30584,KP35111,KP3251A,KP23221,KP2201C,KP35200,KP8110X,KP22308B,KP3310,KP22308A,KP3311,KP15051,KP23111,KP23110,KP15052,KP32621,KP32622,KP1505A,KP2311A,KP2202A,KP81103,KP81102,KP81101,KP81106,KP41262C,KP2205,KP2206,KP2203,KP21827,KP21824,KP2201,KP2202,KP4060,KP41261C,KP23162M,KP40561,KP23162K,KP311A,KP311B,KP2822,KP3116,KP85631,KP3111,KP2264,KP35083,KP2261,KP40562,KP2262,KP35081,KP3114,KP35082,KP3112,KP40511P,KP201H,KP201F,KP201K,KP201A,KP31614,KP201E,KP22062A,KP201B,KP201C,KP2813,KP3221,KP2011,KP3224,KP3116H,KP3222,KP2012,KP2013,KP3211B,KP23152M,KP2806,KP321B,KP321AB,KP2803,KP30171,KP2801,KP35064,KP40661,KP35062,KP3113H,KP3212B,KP15113,KP15114,KP15111,KP22064A,KP3206,KP3205,KP3211H,KP2591,KP3114H

选型指南 - 必易微 - REV 1.0 - 2023/6/1 PDF 中文下载

必易微（KIWI）IOT领域电源管理芯片产品介绍

型号- KP2190,KP311AWPA,KP20H,KP3281DP,KP2191,KP4110-1-2,KP2192,KP212,KP86888,KP3116WPA,KP2501,KP86884,KP206A,KP216,KP3210BSGA,KP206B,KP214,KP3224DP,KP3205SGA,KP3310,KP3126SG,KP23111,KP2182,KP23110,KP101,KP201E-H,KP15026VPA,KP86888S,KP3110-2-4-6,KP201A-H,KP3116SGA,KP22306,KP322XDP,KP216X,KP15012SPA,KP23132M,KM8684NQ,KP3221DP,KP3282DP,KP15026,KP3310DPA,KP3210-1-2B,KP3211BDP,KP2201-B,KP2326,KM868X,KP1513,KP3114WPA,KP146X,KP2164,KP206A-B,KP2162,KP2202,KP3120SPA,KP2161,KP201,KP18026,KP15026WPA,KP3112LGA,KP214X,KP2182X,KP206,KP3114SGA,KM8688NQ,KP4055,KM8684NS,KP3126,KP226X,KP2061-4,KP23266,KP15014SPA,KP23264,KP4051,KP201-E-F,KP1511X,KP3210SGA,KP322X,KP201X,KP321ABSGA,KP3110,KP3222DP,KP1452,KP3221SG,KP4124X,KP2313X,KP201H,KP23133M,KP201F,KP18051ESPA,KP41242,KP3211BSGA,KP41240,KP41241,KP23152,KP15012-4,KP3210BDP,KP23151,KP201A,KP23150,KP1512X,KP201E,KP201B,KP201C,KP212X,KP36673-4,KP35015,KP3221SGA,KP2010,KP2131,KP3310SPA,KP3112SGA,KP2011,KP2132,KP2130,KP2012,KP2013,KP3284DP,KP3126SGA,KP18061ESPA,KP1315X,KP3110SPA,KP2126,KP4050-A,KP18055ESPA,KP2801,KP142X,KP1030,KP2120,KP2124,KP328X,KP2122,KP311ALGA,KP23133,KP18069,KP23132,KP3212BDP,KP226XH,KP41240-1-2,KP141X,KP401,KP2591,KP21821-2-4,KP206X

商品及供应商介绍 - 必易微 - 2020-07 PDF 中文下载

必易微为电动自行车厂商提供一站式芯片解决方案，覆盖AC-DC、BMS和电机驱动IC等类别（上）

必易微可为电动自行车厂商提供一站式芯片解决方案，覆盖AC-DC、BMS、电机驱动IC、高压Buck 、LED驱动和信号链等类别，帮助客户提高产品性能和价格优势。

应用方案发布时间 : 2023-11-28

必易微（KIWI）AC-DC反激式电源转换IC选型表

描述- 深圳市必易微电子股份有限公司（股票代码：688045）是一家高性能模拟及数模混合集成电路供应商，主营产品包括 AC-DC、DC-DC、驱动 IC、线性稳压、电池管理、充电管理、放大器、数模转换器、传感器等，为消费电子、工业控制、网络通讯、数据中心、汽车电子等领域客户提供一站式芯片解决方案和系统集成。

型号- KP2190,KP23223,KP23267,KP23223M,KP23162M,KP21825C,KP23162K,KP212,KP2264H,KP206A,KP206B,KP36572,KP36374,KP36373,KP2066,KP2264,KP2261,KP2064,KP2262,KP22308A,KP36674P,KP201F,KP22066A,KP2182,KP23111,KP22066,KP23110,KP2062,KP22064,KP23151,KP22062,KP201A,KP22305L,KP201E,KP201B,KP22062A,KP201C,KP21822M,KP2311A,KP2202A,KP2206A,KP2011,KP22305A,KP2012,KP2013,KP2161M,KP23132M,KP22035,KP23132K,KP23152M,KP2262H,KP23161,KP23160,KP2205,KP2206,KP2203,KP36675,KP36674,KP36673,KP21827,KP2164,KP21824,KP22306A,KP2165,KP2162,KP21823,KP2201,KP21827M,KP2202,KP2166,KP2162M,KP23132,KP2161,KP23131,KP23130,KP2166M,KP201,KP2190B,KP22083,KP22082,KP22080,KP206,KP23225C,KP22315A,KP21824M,KP21824L

选型指南 - 必易微 - 2023/9/5 PDF 中文下载