關(guān)于高能效手機充電器的電源設計

隨著(zhù)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(kāi)始占據住宅內的電源插座。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(guān)注的今天，包括歐盟委員會(huì )行為準則(CoC)和美國能源之星在內的監管機構相繼進(jìn)步EPS或電池充電器的效率及空載功耗要求，而且此類(lèi)要求將來(lái)仍有可能進(jìn)一步進(jìn)步。  熱像儀 | 萬(wàn)用表 | 多用表 | 水份儀 | 粗糙度儀 | 轉換器 | 溫濕度計 | 泄露氣體檢測儀 | 酸堿度計 | 溫度探頭 | 紅外線(xiàn)測溫儀 | 鉗表 | 流速儀 | 水份計 | 糖度計 | 手鉗 | 粉塵計 |

　　全球大型手機公司甚至開(kāi)始要求充電器制造商供給空載功耗為30mW的充電器。根據能源之星EPS規范2.0版的要求，目前只有1/10的充電器達到這個(gè)標準。超低空載功耗開(kāi)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(huì )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(gè)關(guān)鍵能耗參數——工作效率，能源之星V2.0規范對1W至250W范圍內的外部電源規定了相應的最低值。這些值根據額定功率值由對數公式計算得出，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%。

　　電源規范的日益嚴格為電子產(chǎn)品設計師提出了新的挑戰。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(gè)溫度范圍內提供良好的負載和電壓調節，并同時(shí)能滿(mǎn)足EMI標準，能以具有競爭上風(fēng)的本錢(qián)進(jìn)行制造。

　　Power Integrations(PI)公司的集成開(kāi)關(guān)IC系列LinkSwitch-II專(zhuān)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(dòng)應用。LinkSwitch-II在變壓器中唯一無(wú)二地采用了繞組設計，既可用于提供反饋，又可進(jìn)行低壓供電，從而省往了電流檢測電阻以及很多其它元件，使整個(gè)EPS在空載條件下的功耗僅為30mW。

　　很多手機制造商都在努力開(kāi)發(fā)空載性能高于能源之星標準的EPS，這是由于手機EPS通常天天只需1個(gè)小時(shí)為手機充電，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(mǎn)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：輸進(jìn)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電源設計的性能與剛剛達到能源之星V2.0標準的電源進(jìn)行了對比，從中可看出在PI 2.75W充電器每年節省的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通用輸進(jìn)充電器電源電路。

　　本電源設計的關(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、新奇的開(kāi)/關(guān)控制狀態(tài)機、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)在隔離式設計中省往昂貴的光耦器和次級控制電路，大大簡(jiǎn)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(shù)，能夠提供容差為±5%的輸出電壓和容差為±10%的電流調節，補償變壓器和內部參數容差隨輸進(jìn)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)行調節，通過(guò)跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期得以維持。調節使能與禁止周期的比例能維持輸出電壓的穩定，同時(shí)也可以使轉換器的效率在整個(gè)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(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(zhù)負載電流的增大，電流限流點(diǎn)也將升高，跳過(guò)的周期也越來(lái)越少。

　　當不再跳過(guò)任何開(kāi)關(guān)周期時(shí)(達到最大功率點(diǎn))，LinkSwitch-II內的控制器切換到恒流模式。當需要進(jìn)一步進(jìn)步負載電流時(shí)，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(kāi)關(guān)頻率將線(xiàn)性下降，以實(shí)現恒流輸出。

　　采用AC市電輸進(jìn)時(shí)，防火、可熔、繞線(xiàn)式電阻RF1提供故障保護，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型濾波器對整流電壓進(jìn)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(guān)斷期間的過(guò)度振蕩，從而降低傳導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。

　　設計中可能具有最差制造容差的元件是變壓器。不過(guò)，在低級勵磁電感過(guò)高或過(guò)低時(shí)，轉換器將通過(guò)調節振蕩器頻率自動(dòng)對此進(jìn)行補償。由于這個(gè)控制器用于在非連續導通模式下工作，因此輸出功率與設定低級電感直接成正比，并可通過(guò)調節開(kāi)關(guān)頻率對其容差進(jìn)行完全補償。

　　二極管D7對次級進(jìn)行整流，C7用來(lái)濾波。D7使用40V肖特基勢壘二極管，以便提供更高的效率。假如可以接受較低的效率，則可以使用1A PN結型二極管以降低本錢(qián)。C6和R7用來(lái)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(mǎn)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(shí)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，但假如沒(méi)有此要求，則可省往該元件。 反饋電阻R5和R6被用來(lái)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(jìn)行低壓供電，從而使EPS的空載功耗達到30mW。假如省往這些元件，U1將從高壓低級側獲取電源，此時(shí)空載功耗最高將升至200mW，但仍符合能源之星EPS V2.0規范。假如不要求達到超低空載功耗，在可省往偏置電路，以進(jìn)一步降低本錢(qián)。

　　C4的作用是對U1進(jìn)行往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(gè)負載范圍內向電纜末端提供恒壓輸出，但隨著(zhù)轉換器負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輸出電纜上的壓降進(jìn)行補償�？刂破鲃t根據狀態(tài)調節器的輸出來(lái)決定輸出負載以及相應補償的程度。

　　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(jìn)行補償。)

　　圖2描述了25℃條件下對整個(gè)輸進(jìn)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℃條件下隨輸進(jìn)電壓變化的典型CV/CC特性曲線(xiàn)。

　　LinkSwitch-II內所集成的多項控制和保護功能化解了開(kāi)關(guān)電源設計中常見(jiàn)的困難，并能確保在大批量生產(chǎn)中保持其性能的一致性。