USB 充電解決方案：高效 AC 適配器

通用串行總線（USB）充電已經(jīng)成為小型電子產(chǎn)品的一種常見供電方法。許多新型消費類電子設(shè)備（例如：智能手機、平板電腦、電子閱讀器等）的AC電源適配器/電池充電器的功率范圍均為5到25W，并且都有一個USB標準A接口。5V適配器輸出電壓已經(jīng)成為兼容PC/桌面端口充電和通信的首選。目前主流的連接方法是使用一條標準（mini或者Micro-B）USB線，而大多數(shù)情況下使用的卻是非標準型連接器。隨著人們對電池充電問題關(guān)注度的提高，老式的“塊兒磚式適配器”正變身為一種外形“酷”、重量輕、設(shè)計時尚并且安全綠色的充電器。除滿足標準調(diào)節(jié)要求外，原始設(shè)備制造商還在不斷打破適配器效率和空載功耗（待機功耗）方面的性能局限性。例如，各大主要移動電話充電器制造商已經(jīng)一致推行五星（空載功耗小于30 mW）充電器功耗評級制度。這讓廣大消費者可以更加容易地比較和選擇那些能效高的充電器。

最近，人們在激烈討論如何標準化移動電話輸入，以及如何生產(chǎn)出一種能為所有手機充電的通用充電器。2006年，中國發(fā)布了一項新規(guī)定，旨在標準化墻上充電器及其連接線。無獨有偶，現(xiàn)在GSM協(xié)會（GSMA）也正領(lǐng)導(dǎo)制定“通用充電解決方案”適配器計劃，其目標是用micro USB接口移動電話供電。普通充電器要求提供5V±5%的電壓，最小電流為850 mA，空載功耗小于150 mW。另外，它還必須符合USB設(shè)計論壇（USB-IF）電池充電規(guī)范1.1（BC1.1）。*除便于消費者使用以外，標準化充電器還可減少大量的多余充電器。另外，帶有多個USB插孔的AC適配器，讓消費者可以在無需使用眾多專用充電器的情況下方便地為多種電子設(shè)備充電。一些高輸出電流充電器還允許進行快速電池充電。相比限制電流500mA的標準USB 2.0端口，這是一個重要優(yōu)勢。人們對于這些改進性能的需求日益增加，同時適配器設(shè)計也越來越小型化，這些都讓這種“黑匣子”中的熱管理成為擺在廣大電源設(shè)計者面前的一道巨大難題。

電源架構(gòu)
考慮到功耗大小問題，圖1所示反向拓撲結(jié)構(gòu)因其簡單性和低成本成為我們的首選。二次側(cè)肖特基二極管整流器（圖1a）的傳導(dǎo)損耗，成為實現(xiàn)高效率、緊湊型適配設(shè)計的一個限制因素。例如，在一個典型5-V/3-A適配器中，滿負載條件下二極管整流器本身的功率損耗便可達到總系統(tǒng)損耗的30%到40%（忽略二次損耗對高一次側(cè)損耗的綜合影響）。為輸出（圖1b）安裝一個同步整流器（SR），可以提高轉(zhuǎn)換器的總效率，并且由于產(chǎn)生的熱量更少（適配器設(shè)計中至關(guān)重要），因此系統(tǒng)熱管理更加容易。

圖 1 簡化反向拓撲

*USB-IF BC1.2將充電電流范圍從1.5A擴展至5A。

給經(jīng)典反向拓撲增加一個SR并不復(fù)雜，但卻可以大大降低總系統(tǒng)功耗。這種方法可有效改變功耗電平，功耗隨著MOSFET技術(shù)的快速發(fā)展而不斷降低。因此，同步整流現(xiàn)在適用于種類繁多的各種產(chǎn)品。SR的低功耗特性讓設(shè)計人員可以使用一些體積更小的組件。這些組件擁有更少的散熱組件，從而實現(xiàn)降低組裝成本、產(chǎn)品尺寸和包裝重量的同時提高功率密度。

請注意，如果允許SR MOSFET在空載/待機狀態(tài)下開關(guān)，系統(tǒng)功耗性能可能會降低。除SR控制器IC所要求的靜態(tài)功耗以外，SR-MOSFET開關(guān)功耗會成為實現(xiàn)最佳可行系統(tǒng)空載性能的限制因素。

綠色輸出整流：滿負載到空載
本文現(xiàn)在將為您介紹如 TI UCC24610TM綠色整流器控制器等IC如何簡化USB充電器設(shè)計，以及如何實現(xiàn)滿負載范圍的高系統(tǒng)效率。圖2顯示了有和沒有同步整流的一個反向轉(zhuǎn)換器的簡化系統(tǒng)波形。這些波形是某個控制方案所產(chǎn)生的結(jié)果，其直接檢測MOSFET漏極到源極電壓（VDS）。相比其他實現(xiàn)方法，例如：一次側(cè)同步或者使用二次側(cè)電流變壓器實現(xiàn)的同步控制，這種控制方法在今天獲得了廣泛的使用。這種控制方案中，需讓SR控制器的關(guān)閉閾值盡可能地接近零，從而實現(xiàn)MOSFET通道的最大傳導(dǎo)時間。

圖 2 使用肖特基二極管和SR-MOS

FET輸出整流的簡化反向波形

我們可以對反向轉(zhuǎn)換器進行設(shè)計，讓它可以根據(jù)終端應(yīng)用要求工作在不同模式下。對于工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）下的設(shè)計來說，變壓器二次繞組的電流在一次側(cè)MOSFET開啟以前不會降至零，從而導(dǎo)致一定時間的交叉導(dǎo)電。在這類轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)同步整流后，一旦一次側(cè)開關(guān)開啟SR MOSFET馬上就要關(guān)閉，這點極為重要。這樣可以防止出現(xiàn)反向?qū)щ?，并控制額外功耗和器件應(yīng)力。“綠色整流器”的同步功能檢測到一次側(cè)導(dǎo)通躍遷后，關(guān)閉SR MOSFET。圖3描述了SR門關(guān)斷躍遷現(xiàn)在如何受到一次側(cè)同步信號的控制，而不受VDS檢測的控制。
如前所述，實現(xiàn)同步整流可能會降低輕載效率和空載功耗。輕載或者空載功耗的主要原因是SR-MOSFET開關(guān)和SR控制器IC偏置。“綠色整流器”成功地解決了這些問題，方法是：（1）使用一個自動輕載檢測電路，在其導(dǎo)電時間降至某個閾值以下時關(guān)閉SR MOSFET的門開關(guān)；（2）使用EN功能，讓IC進入睡眠模式，消除靜態(tài)功耗。輕載檢測電路對每個開關(guān)周期的SR導(dǎo)電時間和設(shè)定最小“導(dǎo)通”時間（MOT）進行比較。當負載降低時，二次導(dǎo)電時間短于MOT，且下一個SR門脈沖失效。利用控制器IC的EN功能，可實現(xiàn)進一步降低空載功耗。我們可以使用一種MOSFET漏極電壓的簡易均衡電路，空載狀態(tài)下讓IC進入睡眠模式，從而將IC的偏置電流消耗限制在100 μA。利用這種方法，可以再降低10mW的空載功耗。提高空載性能的最后一步是添加一個低電流肖特基二極管，并與SR MOSFET并聯(lián)在一起。

圖 3 一次側(cè)同步的典型 CCM 反向波形


例如，我們使用兩個控制器芯片組（TI UCC28610和UCC24610），為平板電腦終端應(yīng)用設(shè)計一種3A額定電流的USB充電器。訪問本文末尾的網(wǎng)站地址，可以查看到這種充電器的參考設(shè)計（PMP4305）。UCC24610非常適合于那些使用5-V反向開關(guān)模式電源的應(yīng)用，并且可以工作在4.75到5.25 V規(guī)定USB電壓范圍內(nèi)。因此，這種SR控制器直接偏置于轉(zhuǎn)換器輸出，無需在主電源變壓器上安裝輔助繞組。這種控制器還允許使用兩個消隱計時器的外部編程，防止導(dǎo)通和關(guān)斷過渡期間檢測到的VDS振鈴引起SR偽觸發(fā)。圖4顯示了滿負載狀態(tài)下PMP4305的典型功率級波形。IC控制方案不受導(dǎo)通時VDS信號的嚴重振鈴所影響，因為可編程MOT計時器在此期間禁用了VTHOFF比較器。

圖 4 PMP4305 滿負載波形


圖5顯示了115V和230V AC線壓狀態(tài)下SR-MOSFET和肖特基二極管輸出整流效率之間的對比情況。實現(xiàn)同步整流，可在滿負載到約25%滿負載范圍內(nèi)實現(xiàn)80%以上的效率。另外，在這一負載范圍內(nèi)，通過肖特基二極管整流可實現(xiàn)3到5個百分點的效率提高。

圖 5 肖特基二極管與同步整流（SR）系統(tǒng)效率對比圖


結(jié)論
消費類設(shè)備USB充電解決方案正受到越來越多人的關(guān)注。擁有多個USB接口的10W到25W充電器通用標準，可為多種設(shè)備供電，無需為每一種新的電子設(shè)備都配備一個新的墻上充電器。我們需要使用一些高效率的AC/DC轉(zhuǎn)換器，才能滿足高密度小型適配不斷發(fā)展的需求。如UCC24610“綠色整流器”等器件，可以幫助提高AC/DC轉(zhuǎn)換器效率，并實現(xiàn)高密度USB充電器設(shè)計。