同時(shí)滿足能源之星和EMI要求的高效率充電適配器設(shè)計(jì)解決方案

充電器和外部電源所消耗的總電量在住宅總用電量中占有很大的比重，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)引起了世界上各監(jiān)管的注意。許多國(guó)家的全國(guó)性標(biāo)準(zhǔn)都是參照美國(guó)的能源之星規(guī)范建立起來(lái)的。能源之星外部電源2.0版(Energy Star EPSV2.0)規(guī)范根據(jù)輸出功率的不同為要求的效率設(shè)定了滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于5W充電器而言，其效率必須高于68%。滿足這一限值可并非易事，這將會(huì)使如今市場(chǎng)上的大部分充電器被迫重新設(shè)計(jì)，或者停止銷售。

手機(jī)制造商們也主張?zhí)岣吣苄?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/要求">要求，因?yàn)榻档湍芎目梢宰鳛楹饬科髽I(yè)勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任和吸引有環(huán)保意識(shí)的消費(fèi)者的一種手段。在2008年年底，世界五大手機(jī)制造商(諾基亞、三星、索尼愛立信、摩托羅拉和LG)聯(lián)合制定了手機(jī)充電器星級(jí)分級(jí)制度。為達(dá)到嚴(yán)格的五星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，充電器在空載模式下的功耗將不得超過(guò)0.03W(30mW),這一數(shù)字僅為當(dāng)前正在實(shí)施的能源之星EPS規(guī)范2.0版所規(guī)定限值的十分之一。

Power Integrations(PI)作為集成電路生產(chǎn)商，致力于幫助電源設(shè)計(jì)師達(dá)到這些嚴(yán)格的規(guī)范要求。該公司開發(fā)出了一款5V 5W反激式充電器/適配器電路(詳見《參考設(shè)計(jì)DI-158》)，其整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的平均效率可達(dá)74%，比能源之星EPS 2.0版的要求高出6%。圖1為能源之星對(duì)59款不同型號(hào)的外部電源進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。無(wú)需增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，DI-158便可獲得極高的性能，并能在生產(chǎn)環(huán)境中重復(fù)制造。

圖2是一款5W通用輸入恒壓/恒流(CV/CC)充電器/適配器的電路設(shè)計(jì)圖。本設(shè)計(jì)適用于手機(jī)電池充電器、USB充電器或任何有恒壓/恒流特性要求的應(yīng)用。該電路可為最高1A的負(fù)載提供5V恒流輸出，精度為±5%。當(dāng)需要更大負(fù)載時(shí)，電源將進(jìn)入恒流模式，輸出電壓降低，使輸出電流維持在1A±10%。

圖2： 5W CV/CC通用輸入充電器電源電路圖。

這個(gè)電源電路是采用PI的LinkSwitch-II系列產(chǎn)品LNK616PG(U1)而設(shè)計(jì)的反激式電源。它不是傳統(tǒng)的PWM控制器，而是采用開/關(guān)控制來(lái)維持恒壓(CV)階段的穩(wěn)壓。它通過(guò)跳過(guò)開關(guān)周期來(lái)維持輸出功率水平，并通過(guò)調(diào)節(jié)使能與禁止開關(guān)周期的比值和初級(jí)限流點(diǎn)來(lái)維持穩(wěn)壓。這種控制方法在充電器設(shè)計(jì)中具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。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，達(dá)到最大輸出功率點(diǎn)時(shí)將不再跳過(guò)任何開關(guān)周期。當(dāng)需要進(jìn)一步提高功率時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之下降?？刂破鳈z測(cè)到壓降后進(jìn)入恒流模式。 在此模式下，隨著電流需求的增大，開關(guān)頻率將下降，從而實(shí)現(xiàn)線性恒流(CC)輸出。圖3給出了該電路的電流及電壓性能。

本設(shè)計(jì)中有幾大要素可以實(shí)現(xiàn)高效率和低成本。變壓器T1是其中的一個(gè)關(guān)鍵要素，其設(shè)計(jì)主要由U1中開關(guān)元件的性能來(lái)決定。LinkSwitch-II器件集成了700V功率MOSFET用作主要開關(guān)元件，這樣可以使工作頻率高達(dá)85kHz，幾乎是具有競(jìng)爭(zhēng)性的BJT設(shè)計(jì)最高工作頻率45kHz的兩倍。頻率越高，就越容易減小變壓器尺寸及其層數(shù)，從而降低變壓器中的電容開關(guān)損耗。為降低變壓器可能會(huì)產(chǎn)生的音頻噪音，控制最大磁通密度非常必要。在每個(gè)周期開始時(shí)，U1中的MOSFET導(dǎo)通，流經(jīng)T1初級(jí)繞組的電流則增大至LinkSwitch-II控制電路所允許的最大值。達(dá)到此值后，MOSFET關(guān)斷，儲(chǔ)存在T1中的能量會(huì)在磁場(chǎng)下降時(shí)轉(zhuǎn)移至次級(jí)繞組。輕載條件下，初級(jí)限流點(diǎn)下降，從而降低變壓器磁通密度。通過(guò)限流點(diǎn)控制、調(diào)整使能與禁止開關(guān)周期的比值并根據(jù)輸出負(fù)載情況減低開關(guān)損耗，可以優(yōu)化轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率。