由iPhone所引領(lǐng)的新一代手機(jī)與前代手機(jī)相比，其功能更為豐富。這些全功能手機(jī)如今已成為消費(fèi)者的必備用品，它們的最大特點(diǎn)是具有大屏幕、能夠上網(wǎng)、支持GPS并自帶多媒體播放器，而所有這些基本功能都離不開(kāi)電源。手機(jī)用戶通常在電池電量快用完時(shí)才開(kāi)始充電，因此他們特別希望手機(jī)充電器具備快速充電能力。此外，手機(jī)充電器在充完電后往往會(huì)繼續(xù)插在插座上,因此充電器除了能以高效率提供高充電電流外，還必須在未拔下時(shí)(空載條件下)消耗盡可能少的電能。若要設(shè)計(jì)出一款既能滿足上述條件、對(duì)制造商而言經(jīng)濟(jì)可行，又能符合所有EMI要求的電源，必須同時(shí)考慮到諸多因素。
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б螅驗(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(ài)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(kāi)發(fā)出了一款5V 5W反激式充電器/適配器電路(詳見(jiàn)《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%。
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(kāi)/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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。控制器檢測(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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)周期的比值并根據(jù)輸出負(fù)載情況減低開(kāi)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。
T1內(nèi)的抽頭次級(jí)繞組5-3-2-NC具有三種功能。繞組2-5可通過(guò)二極管D6向U1提供低壓電源。從低壓次級(jí)側(cè)獲取功率，而不是在初級(jí)側(cè)降低電壓，這樣可以使電源在230VAC時(shí)空載功耗不超過(guò)50mW。
繞組2-3可向U1的反饋(FB)輸入提供反饋信號(hào)。這個(gè)控制引腳可以根據(jù)偏置繞組的反激電壓來(lái)調(diào)節(jié)恒壓模式下的輸出電壓和恒流模式下的輸出電流。采用這種設(shè)計(jì)后，不僅可以省去輸出路徑中的檢測(cè)電阻，還可以省去一個(gè)光耦器和次級(jí)控制電路，從而大幅簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)。這種控制技術(shù)還能夠自動(dòng)補(bǔ)償變壓器電感容差和內(nèi)部參數(shù)容差隨輸入電壓的變化。
變壓器次級(jí)中的最后一個(gè)元素是繞組2-NC。這一設(shè)計(jì)是PI的E-ShieldTM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。此舉可以改善EMI裕量，省去銅箔屏蔽層。
另一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵元件是整流二極管D7。該二極管的性能對(duì)效率有重要影響，因?yàn)樗獋魉驼麄€(gè)DC負(fù)載電流。二極管將要承受的峰值反向電壓由初級(jí)開(kāi)關(guān)元件的額定電壓來(lái)決定。其他同類設(shè)計(jì)方案使用額定峰值電壓為600V的開(kāi)關(guān)，這些解決方案要求使用低反射輸出電壓(VOR)，并且D7必須選用60V肖特基二極管。LinkSwitch-II中集成的MOSFET能夠維持700V的電壓，使VOR取較高值。這樣可以降低D7上的應(yīng)力，從而能選用40V肖特基二極管。40V肖特基二極管不僅成本低廉，而且在2A時(shí)的正向?qū)▔航抵挥?.5V，而60V肖特基二極管的正向?qū)▔航禐?.7V。這樣可減少0.4W的峰值功耗，將效率提高5%。
采用700V MOSFET的另一個(gè)好處是，電路可以承受交流380V輸入電壓，這樣設(shè)計(jì)的充電器可以在交流供電電壓差別很大的國(guó)家(如印度、俄羅斯、中國(guó)等)始終可靠工作。
提高效率需考慮的最后一個(gè)關(guān)鍵要素是EMI控制。根據(jù)國(guó)際上的兩大能效規(guī)范(EN 55022和CISPR 22 Class B)，產(chǎn)品必須符合EMI標(biāo)準(zhǔn)。電路設(shè)計(jì)自身必須產(chǎn)生較低的EMI。為不良設(shè)計(jì)添加抑制元件是我們所不提倡的，因?yàn)檫@樣會(huì)增加成本、占用空間和吸收更多的功率。可喜的是，LinkSwitch-II器件集成了多個(gè)可降低EMI的有用功能。振蕩器集成有頻率調(diào)制功能，可以擴(kuò)展頻譜。電源在最高80kHz下工作時(shí)，峰值初級(jí)電流會(huì)低于最高頻率為45kHz的設(shè)計(jì)，這樣可以增加差模EMI裕量。這些功能以及E-Shield技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了所需EMI抑制元件的設(shè)計(jì)，只需采用一些扼流圈、電阻和電容。
如圖2所示，電路多個(gè)部分采取了防傳導(dǎo)及輻射EMI設(shè)計(jì)。在AC輸入部分，電感L1和L2以及電容C1和C2組成一個(gè)π型濾波器，對(duì)差模傳導(dǎo)EMI噪聲進(jìn)行衰減。D5、R3、R4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R4的值較大，用于避免漏感引起的漏極電壓波形振蕩。C6和R8用來(lái)限制D7上的瞬態(tài)電壓尖峰，并降低傳導(dǎo)及輻射EMI。這些元件可以使電源擁有10dB以上的裕量，輕松滿足EN 55022和CISPR 22 Class B標(biāo)準(zhǔn)。
圖4為采用PI器件設(shè)計(jì)的電源電路樣品，只需為數(shù)不多的元件即可設(shè)計(jì)出這種高效率充電器/適配器，并且完全滿足EMI、安全性及耐用度等要求。
本設(shè)計(jì)所取得的效率要比能源之星EPS 2.0版規(guī)范的5W電源效率要求高6%，但相比之下，低于50mW的超低空載功耗也許更加意義非凡。假設(shè)充電器在充完電后長(zhǎng)期插在插座上，那么與能源之星EPS 2.0版規(guī)范的要求相比，這種超低空載功耗在總能量節(jié)省中的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到90%以上。
在5V/1,000mA電源設(shè)計(jì)中，Power Integrations向我們展示了設(shè)計(jì)師如何做才能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出公認(rèn)的最低能效要求，同時(shí)使產(chǎn)品既具成本優(yōu)勢(shì)又易于制造。