高能效手機充電器的電源設計與應用研究

　　隨著媒體播放器、PDA、手機等便攜式電子設備的使用量大幅增加，外部電源(EPS)或電池充電器開始占據(jù)住宅內的電源插座。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注的今天，包括歐盟委員會行為準則(CoC)和美國能源之星在內的監(jiān)管機構相繼提高EPS或電池充電器的效率及空載功耗要求，而且此類要求將來仍有可能進一步提高。

　　全球大型手機公司甚至開始要求充電器制造商供應空載功耗為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的充電器達到這個標準。超低空載功耗開始成為不可或缺的行業(yè)標準之一，并被視為衡量企業(yè)是否勇于承擔社會責任和能否吸引有環(huán)保意識的消費者的手段之一。對于另一個關鍵能耗參數(shù)——工作效率，能源之星V2.0規(guī)范對1W至250W范圍內的外部電源規(guī)定了相應的最低值。這些值根據(jù)額定功率值由對數(shù)公式計算得出，其中，1W電源的最低效率為62%，250W電源的最低效率則為87%，對于5V/500mA (2.5W)電源，其最低效率應達到63%。

　　電源規(guī)范的日益嚴格為電子產品設計師提出了新的挑戰(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及整個溫度范圍內提供良好的負載和電壓調節(jié)，并同時能滿足EMI標準，能以具有競爭優(yōu)勢的成本進行制造。

　　Power Integrations(PI)公司的集成開關IC系列LinkSwitch-II專用于EPS/充電器應用。該器件具有恒壓/恒流(CV/CC)特性，適用于電池充電和LED驅動應用。LinkSwitch-II在變壓器中獨一無二地采用了繞組設計，既可用于提供反饋，又可進行低壓供電，從而省去了電流檢測電阻以及許多其它元件，使整個EPS在空載條件下的功耗僅為30mW。

　　許多手機制造商都在努力開發(fā)空載性能高于能源之星標準的EPS，這是因為手機EPS通常每天只需1個小時為手機充電，其它23個小時仍插在插座上，一直處于空載狀態(tài)。與工作時的輸出功率相比，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74%，空載功耗始終低于30mW，因而輕松滿足能源之星標準。

　　PI 2.75W充電器與能源之星EPS V2.0標準的對比。(注：輸入電壓交流230V，帶載占空比/空載占空比為1小時/23小時)。

　　表1將PI的2.75W電源設計的性能與剛剛達到能源之星V2.0標準的電源進行了對比，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。

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

　　在恒壓階段，輸出電壓通過開關控制進行調節(jié)，通過跳過開關周期得以維持。調節(jié)使能與禁止周期的比例能維持輸出電壓的穩(wěn)定，同時也可以使轉換器的效率在整個負載范圍內得到優(yōu)化。在輕載(涓流充電)條件下，還可以降低電流限流點以減小變壓器磁通密度，降低音頻噪音和開關損耗。隨著負載電流的增大，電流限流點也將升高，跳過的周期也越來越少。

　　當不再跳過任何開關周期時(達到最大功率點)，LinkSwitch-II內的控制器切換到恒流模式。當需要進一步提高負載電流時，輸出電壓將隨之下降。輸出電壓的下降反應到FB引腳電壓上，作為對FB引腳電壓下降的響應，開關頻率將線性下降，以實現(xiàn)恒流輸出。

　　采用AC市電輸入時，防火、可熔、繞線式電阻RF1提供故障保護，并限制啟動期間產生的浪涌電流。由L1、C1和C2組成的π型濾波器對整流電壓進行平滑，并衰減差模傳導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，這樣可防止關斷期間的過度振蕩，從而降低傳導EMI。PI的變壓器E-shield技術將進一步降低EMI，該技術是在主繞組和磁芯之間添加一個繞組，用來屏蔽磁芯的電容耦合。此屏蔽繞組位于端接點4和T1的NC之間。

　　設計中可能具有最差制造容差的元件是變壓器。不過，在初級勵磁電感過高或過低時，轉換器將通過調節(jié)振蕩器頻率自動對此進行補償。由于這個控制器用于在非連續(xù)導通模式下工作，因此輸出功率與設定初級電感直接成正比，并可通過調節(jié)開關頻率對其容差進行完全補償。

　　二極管D7對次級進行整流，C7用來濾波。D7使用40V肖特基勢壘二極管，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結型二極管以降低成本。C6和R7用來限制D7上的瞬態(tài)電壓尖峰，并降低傳導及輻射EMI。本設計采用了很多EMI濾波和屏蔽措施，能以較大裕量輕松滿足EN55022 B級標準。

　　電阻R8和齊納二極管VR1形成輸出假負載，可以確?？蛰d時的輸出電壓處于可接受的限制范圍內。集成的齊納二極管用于限制電池自放電，但如果沒有此要求，則可省去該元件。 反饋電阻R5和R6被用來設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U1進行低壓供電，從而使EPS的空載功耗達到30mW。如果省去這些元件，U1將從高壓初級側獲取電源，此時空載功耗最高將升至200mW，但仍符合能源之星EPS V2.0規(guī)范。如果不要求達到超低空載功耗，在可省去偏置電路，以進一步降低成本。

　　C4的作用是對U1進行去耦并控制輸出電纜補償功能。這種補償方式可以確保在恒壓模式下以及整個負載范圍內向電纜末端提供恒壓輸出，但隨著轉換器負載從空載增大至峰值功率點(恒壓與恒流之間的切換點)，它將通過增大反饋引腳參考電壓對輸出電纜上的壓降進行補償。控制器則根據(jù)狀態(tài)調節(jié)器的輸出來決定輸出負載以及相應補償?shù)某潭取?

　　1μF的值對應對一條0.3 Ω、24 AWG USB輸出電纜的補償。(10 μF電容對0.49 Ω、26 AWG USB輸出電纜進行補償。)

　　圖2描述了25℃條件下對整個輸入電壓范圍內的輸出電壓及電流的嚴格控制。圖2中所示的LinkSwitch-II的輸出容差是以P/G封裝在0℃至100℃的結溫度范圍內指定的。

25℃條件下隨輸入電壓變化的典型CV/CC特性曲線。

　　LinkSwitch-II內所集成的多項控制和保護功能化解了開關電源設計中常見的難題，并能確保在大批量生產中保持其性能的一致性。設計支持包括參考設計套件和應用支持，這些都可以在網站www.Powerint.com中找到。LinkSwitch-II為低功率外部電源在性能、效率和成本方面設立新基準。