高能效手機充電器的電源設(shè)計與應(yīng)用研究

　　隨著媒體播放器、PDA、手機等便攜式電子設(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，包括歐盟委員會行為準(zhǔn)則(CoC)和美國能源之星在內(nèi)的監(jiān)管機構(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(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的充電器達到這個標(biāo)準(zhǔn)。超低空載功耗開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)社會責(zé)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(guān)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(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(yīng)達到63%。

　　電源規(guī)范的日益嚴(yán)格為電子產(chǎn)品設(shè)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(nèi)及整個溫度范圍內(nèi)提供良好的負載和電壓調(diào)節(jié)，并同時能滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)，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(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)動應(yīng)用。LinkSwitch-II在變壓器中獨一無二地采用了繞組設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

　　PI 2.75W充電器與能源之星EPS V2.0標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的性能與剛剛達到能源之星V2.0標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的關(guān)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(guān)控制狀態(tài)機、一個自偏置的高壓開關(guān)電流源、頻率抖動、逐周期電流限制及遲滯熱關(guān)斷電路。它通過在隔離式設(shè)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(shè)計。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，輸出電壓通過開關(guān)控制進行調(diào)節(jié)，通過跳過開關(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，同時也可以使轉(zhuǎn)換器的效率在整個負載范圍內(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以減小變壓器磁通密度，降低音頻噪音和開關(guān)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(dāng)不再跳過任何開關(guān)周期時(達到最大功率點)，LinkSwitch-II內(nèi)的控制器切換到恒流模式。當(dāng)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(yīng)到FB引腳電壓上，作為對FB引腳電壓下降的響應(yīng)，開關(guān)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(chǎn)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(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)斷期間的過度振蕩，從而降低傳導(dǎo)EMI。PI的變壓器E-shield技術(shù)將進一步降低EMI，該技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)換器將通過調(diào)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(dǎo)通模式下工作，因此輸出功率與設(shè)定初級電感直接成正比，并可通過調(diào)節(jié)開關(guān)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(jié)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(dǎo)及輻射EMI。本設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。

　　電阻R8和齊納二極管VR1形成輸出假負載，可以確保空載時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，但如果沒有此要求，則可省去該元件。 反饋電阻R5和R6被用來設(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(cè)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(nèi)向電纜末端提供恒壓輸出，但隨著轉(zhuǎn)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?？刂破鲃t根據(jù)狀態(tài)調(diào)節(jié)器的輸出來決定輸出負載以及相應(yīng)補償?shù)某潭取?

　　1μF的值對應(yīng)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(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)所集成的多項控制和保護功能化解了開關(guān)電源設(shè)計中常見的難題，并能確保在大批量生產(chǎn)中保持其性能的一致性。設(shè)計支持包括參考設(shè)計套件和應(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)。