一直以來，電源管理業界為了控制和降低現代電子產品如手機等的功耗而作出了重大努力，因此尋找延長這類裝置電池壽命的方法也成為業界最首要的任務。但這種只片面專注於尋找延長獨立裝置操作時間的做法常常偏重於電子產品“消費者”方面的功率管理工作，而相對地忽略了另一方即“牆壁電源”（例如手機的AC adapter）的功率控制。

但是，最近的趨勢和法規均要求電子產品包括AC adapter等，均要能滿足或超出未來特定的“主動”和“無負載”模式要求，例如美國環保署（EPA）用於單電壓外部AC-DC電源的Energy Star（能源之星）倡議。業界因而需要作出配合，使符合標準設計的性能得以保持甚至提升。

除了在輕負載和滿負載運作下同時具備高效率外，AC adapter基於人體工學原因還應盡可能小型化。最小的尺寸（及最大的功率密度）是由AC adapter“立方體”所能耗散的熱量來決定，並需要維持於合理的環境溫度。

AC adapter功耗

AC adapter以一定的效率將線路的電能傳送給負載，如：

η= Pout/Pin = Pout/ (Pout＋Pd)------------（一）

其中η＝效率

Pout＝傳送給負載的功率

Pin＝從交流線路吸收的輸入功率

Pd＝AC adapter內部的耗散功率

變換公式（一）得到耗散功率和輸出功率之間的關係：

Pd = Pout×(1－η)/ η----------------（二）

從範例的公式（二），可看到adapter中效率為80％的開關式穩壓器功率損耗相當於傳輸功率的25％，而效率為50％的線性穩壓器功率損耗等於提供給負載的功率，即從交流線路所吸收的功率的一半。本範例中，線性穩壓器在工作狀態下消耗的功率是開關式穩壓器的四倍（1/0.25）之多。因此，提供3W峰值功率的5V/620mA AC適配器於開關式模式下會在適配器殼體內消耗750mW的功率，而在線性模式下則消耗3W。

AC adapter功率密度

AC adapter一般要求的殼體溫度最大不得超過75℃。殼體溫度的升高與功耗和環境溫度（假設最大為45℃）成正比。密閉殼體內可消耗的熱量由熱傳遞和熱輻射等熱力學規律來決定。一個簡單的塑膠殼尺寸模型為：

V＝h×w×l＝0.5×1×2＝1 Inch3--------------（三）

在公式3中，h＝高度、l＝長度、w＝殼的寬度，加上熱源會通過ANSYS（基於無限元方法的熱模擬器）進行分析。殼體因電源而生熱，並獲得殼體表面溫度的變化曲線。第一級模擬表明在殼體內需要消耗1W功率來產生殼體表面最靠近熱源的點，約74℃（環境溫度45℃）的峰值溫度。

因此，示例中的AC adapter可安放在這樣的殼體中不會產生過熱，而線性穩壓器則肯定會超出所允許的最高溫度極限。

滿負載運作

為了達到“能源之星”主動模式的效率標準，範例中3W AC adapter的效率必須高於60％。使用快捷半導體的快捷電源開關（FPS）FSD210離線功率轉換器等開關穩壓器便能輕易達到達到“能源之星”主動模式的效率標準，甚至超越這個性能要求。該產品包含用於電流驅動和感應（最小擊穿額定值為700V）的完全累積崩潰額定值、低導通電阻SenseFET橫向DMOS電晶體（LDMOS）以及電壓模式PWM IC。這個組合可將外部元件數量減至最少，同時簡化設計和降低目標“綠色模式”AC adapter應用的功耗和成本。此外，該產品還具有欠壓鎖定、前沿消隱及熱關斷等保護功能。

《圖一　交流adapter的簡化框圖》

(圖一)所示為使用此IC的AC adapter簡圖。線路電壓通過二極體橋式整流器BR整流並施加於變壓器T1的初級。在這種電壓模式反饋結構下，當開關SW為ON時，電能存儲在變壓器中，並在開關處於OFF時將電能傳遞給負載，時鐘頻率為134kHz。輸出電壓通過KA431電壓基準進行穩壓，而光耦合器OC透過提供隔離反饋給初級（FOD2741共封裝電壓基準和光耦合器）而閉合控制回路。

無負載工作

為了滿足“能源之星”的無負載標準，3W AC adapter的功耗應該小於0.5W。最新的設計可在無負載狀態下達到低至0.1W的功耗。但是，傳統及一般的解決方案都不能實現這種性能水準。在無負載狀態下引起功率耗散的因素很多，包括IC功耗、snub網路（SNUB）、變壓器和橋式整流器。所有與這些因素相關的損耗必須大幅降低以便維持允許的功耗值。

無負載效率的目標可利用FSD210功率開關等元件的突發工作模式來實現。通過控制時鐘頻率，並在輕負載條件下使其停止，該元件能夠以134kHz的標準頻率工作，但僅為短時間突發模式，且在周期的剩餘部分“轉入睡眠狀態”。這樣便可在無或輕負載運作時有效將工作頻率降低到幾個kHz（約4kHz）。由於以上所列的損耗大多數隨頻率按比例而變化，突發模式可有效地減少各種損耗，使產品能輕易滿足預期的無負載功率損耗要求。

結論

正確使用熱能和電氣設計技術能完全滿足AC adapter性能的新趨勢和要求，即使在今日手機功率需求不斷增加的情況下，這些整合元件能提供所有可想象的資料語音和視頻功能，同時考慮到日益嚴格的效率要求。如果設計是基於高效能的開關式結構進行，可以預計AC adapter將不會成為功率傳輸的瓶頸。（作者為快捷半導體電腦運算及超便攜產品部企業策略總監）