高能效手機(jī)充電器的電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

　　隨著媒體播放器、PDA、手機(jī)等便攜式電子設(shè)備的使用量大幅增加，外部電源(EPS)或電池充電器開(kāi)始占據(jù)住宅內(nèi)的電源插座。EPS所消耗的電量在住宅總用電量中已占到了很大的比重。在能源消耗和電器效率倍受關(guān)注的今天，包括歐盟委員會(huì)行為準(zhǔn)則(CoC)和美國(guó)能源之星在內(nèi)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)相繼提高EPS或電池充電器的效率及空載功耗要求，而且此類要求將來(lái)仍有可能進(jìn)一步提高。

　　全球大型手機(jī)公司甚至開(kāi)始要求充電器制造商供應(yīng)空載功耗為30mW的充電器。根據(jù)能源之星EPS規(guī)范2.0版的要求，目前只有1/10的充電器達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。超低空載功耗開(kāi)始成為不可或缺的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一，并被視為衡量企業(yè)是否勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任和能否吸引有環(huán)保意識(shí)的消費(fèi)者的手段之一。對(duì)于另一個(gè)關(guān)鍵能耗參數(shù)——工作效率，能源之星V2.0規(guī)范對(duì)1W至250W范圍內(nèi)的外部電源規(guī)定了相應(yīng)的最低值。這些值根據(jù)額定功率值由對(duì)數(shù)公式計(jì)算得出，其中，1W電源的最低效率為62%，250W電源的最低效率則為87%，對(duì)于5V/500mA (2.5W)電源，其最低效率應(yīng)達(dá)到63%。

　　電源規(guī)范的日益嚴(yán)格為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提出了新的挑戰(zhàn)。EPS不僅必須具有最低空載功耗和很高的工作效率，它還必須能在所有元件容差范圍內(nèi)及整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供良好的負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)，并同時(shí)能滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，能以具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的成本進(jìn)行制造。

　　Power Integrations(PI)公司的集成開(kāi)關(guān)IC系列LinkSwitch-II專用于EPS/充電器應(yīng)用。該器件具有恒壓/恒流(CV/CC)特性，適用于電池充電和LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。LinkSwitch-II在變壓器中獨(dú)一無(wú)二地采用了繞組設(shè)計(jì)，既可用于提供反饋，又可進(jìn)行低壓供電，從而省去了電流檢測(cè)電阻以及許多其它元件，使整個(gè)EPS在空載條件下的功耗僅為30mW。

　　許多手機(jī)制造商都在努力開(kāi)發(fā)空載性能高于能源之星標(biāo)準(zhǔn)的EPS，這是因?yàn)槭謾C(jī)EPS通常每天只需1個(gè)小時(shí)為手機(jī)充電，其它23個(gè)小時(shí)仍插在插座上，一直處于空載狀態(tài)。與工作時(shí)的輸出功率相比，盡管空載功耗非常低，但總能耗仍非常高。利用LinkSwitch-II節(jié)省大量的能源，2.75W電源的帶載效率可達(dá)74%，空載功耗始終低于30mW，因而輕松滿足能源之星標(biāo)準(zhǔn)。

　　PI 2.75W充電器與能源之星EPS V2.0標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比。(注：輸入電壓交流230V，帶載占空比/空載占空比為1小時(shí)/23小時(shí))。

　　表1將PI的2.75W電源設(shè)計(jì)的性能與剛剛達(dá)到能源之星V2.0標(biāo)準(zhǔn)的電源進(jìn)行了對(duì)比，從中可看出在PI 2.75W充電器每年節(jié)省的2.46 kWh電量中，有2.25 kWh來(lái)自空載功耗。圖1給出了2.75W充電器電源的電路圖。

2.75W CV/CC通用輸入充電器電源電路。

　　本電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于采用了LinkSwitch-II IC(U1)。該器件在一個(gè)單片IC上集成了一個(gè)700 V的功率MOSFET、新穎的開(kāi)/關(guān)控制狀態(tài)機(jī)、一個(gè)自偏置的高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率抖動(dòng)、逐周期電流限制及遲滯熱關(guān)斷電路。它通過(guò)在隔離式設(shè)計(jì)中省去昂貴的光耦器和次級(jí)控制電路，大大簡(jiǎn)化了低功率CV/CC充電器的設(shè)計(jì)。該器件采用了創(chuàng)新的控制技術(shù)，能夠提供容差為±5%的輸出電壓和容差為±10%的電流調(diào)節(jié)，補(bǔ)償變壓器和內(nèi)部參數(shù)容差隨輸入電壓的變化。

　　在恒壓階段，輸出電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期得以維持。調(diào)節(jié)使能與禁止周期的比例能維持輸出電壓的穩(wěn)定，同時(shí)也可以使轉(zhuǎn)換器的效率在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)得到優(yōu)化。在輕載(涓流充電)條件下，還可以降低電流限流點(diǎn)以減小變壓器磁通密度，降低音頻噪音和開(kāi)關(guān)損耗。隨著負(fù)載電流的增大，電流限流點(diǎn)也將升高，跳過(guò)的周期也越來(lái)越少。

　　當(dāng)不再跳過(guò)任何開(kāi)關(guān)周期時(shí)(達(dá)到最大功率點(diǎn))，LinkSwitch-II內(nèi)的控制器切換到恒流模式。當(dāng)需要進(jìn)一步提高負(fù)載電流時(shí)，輸出電壓將隨之下降。輸出電壓的下降反應(yīng)到FB引腳電壓上，作為對(duì)FB引腳電壓下降的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)頻率將線性下降，以實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

　　采用AC市電輸入時(shí)，防火、可熔、繞線式電阻RF1提供故障保護(hù)，并限制啟動(dòng)期間產(chǎn)生的浪涌電流。由L1、C1和C2組成的π型濾波器對(duì)整流電壓進(jìn)行平滑，并衰減差模傳導(dǎo)EMI噪聲。

　　D5、R2、R3和C3組成RCD-R箝位電路，用于限制漏感引起的漏極電壓尖峰。電阻R3的值較大，用于避免漏感引起的漏極電壓波形振蕩，這樣可防止關(guān)斷期間的過(guò)度振蕩，從而降低傳導(dǎo)EMI。PI的變壓器E-shield技術(shù)將進(jìn)一步降低EMI，該技術(shù)是在主繞組和磁芯之間添加一個(gè)繞組，用來(lái)屏蔽磁芯的電容耦合。此屏蔽繞組位于端接點(diǎn)4和T1的NC之間。

　　設(shè)計(jì)中可能具有最差制造容差的元件是變壓器。不過(guò)，在初級(jí)勵(lì)磁電感過(guò)高或過(guò)低時(shí)，轉(zhuǎn)換器將通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩器頻率自動(dòng)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。由于這個(gè)控制器用于在非連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，因此輸出功率與設(shè)定初級(jí)電感直接成正比，并可通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率對(duì)其容差進(jìn)行完全補(bǔ)償。

　　二極管D7對(duì)次級(jí)進(jìn)行整流，C7用來(lái)濾波。D7使用40V肖特基勢(shì)壘二極管，以便提供更高的效率。如果可以接受較低的效率，則可以使用1A PN結(jié)型二極管以降低成本。C6和R7用來(lái)限制D7上的瞬態(tài)電壓尖峰，并降低傳導(dǎo)及輻射EMI。本設(shè)計(jì)采用了很多EMI濾波和屏蔽措施，能以較大裕量輕松滿足EN55022 B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　電阻R8和齊納二極管VR1形成輸出假負(fù)載，可以確?？蛰d時(shí)的輸出電壓處于可接受的限制范圍內(nèi)。集成的齊納二極管用于限制電池自放電，但如果沒(méi)有此要求，則可省去該元件。 反饋電阻R5和R6被用來(lái)設(shè)定最大工作頻率與恒壓階段的輸出電壓。

　　D6、R4和C5形成U1的可選偏置電源，這樣可以對(duì)U1進(jìn)行低壓供電，從而使EPS的空載功耗達(dá)到30mW。如果省去這些元件，U1將從高壓初級(jí)側(cè)獲取電源，此時(shí)空載功耗最高將升至200mW，但仍符合能源之星EPS V2.0規(guī)范。如果不要求達(dá)到超低空載功耗，在可省去偏置電路，以進(jìn)一步降低成本。

　　C4的作用是對(duì)U1進(jìn)行去耦并控制輸出電纜補(bǔ)償功能。這種補(bǔ)償方式可以確保在恒壓模式下以及整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)向電纜末端提供恒壓輸出，但隨著轉(zhuǎn)換器負(fù)載從空載增大至峰值功率點(diǎn)(恒壓與恒流之間的切換點(diǎn))，它將通過(guò)增大反饋引腳參考電壓對(duì)輸出電纜上的壓降進(jìn)行補(bǔ)償。控制器則根據(jù)狀態(tài)調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)決定輸出負(fù)載以及相應(yīng)補(bǔ)償?shù)某潭取?

　　1μF的值對(duì)應(yīng)對(duì)一條0.3 Ω、24 AWG USB輸出電纜的補(bǔ)償。(10 μF電容對(duì)0.49 Ω、26 AWG USB輸出電纜進(jìn)行補(bǔ)償。)

　　圖2描述了25℃條件下對(duì)整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的輸出電壓及電流的嚴(yán)格控制。圖2中所示的LinkSwitch-II的輸出容差是以P/G封裝在0℃至100℃的結(jié)溫度范圍內(nèi)指定的。

25℃條件下隨輸入電壓變化的典型CV/CC特性曲線。

　　LinkSwitch-II內(nèi)所集成的多項(xiàng)控制和保護(hù)功能化解了開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的難題，并能確保在大批量生產(chǎn)中保持其性能的一致性。設(shè)計(jì)支持包括參考設(shè)計(jì)套件和應(yīng)用支持，這些都可以在網(wǎng)站www.Powerint.com中找到。LinkSwitch-II為低功率外部電源在性能、效率和成本方面設(shè)立新基準(zhǔn)。