【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

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！