同時(shí)滿(mǎn)足能源之星和EMI要求的高效率充電適配器設計解決方案

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)引起了世界上各監管的注意。許多國家的全國性標準都是參照美國的能源之星規范建立起來(lái)的。能源之星外部電源2.0版(Energy Star EPSV2.0)規范根據輸出功率的不同為要求的效率設定了滑動(dòng)標準。對于5W充電器而言，其效率必須高于68%。滿(mǎn)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計，或者停止銷(xiāo)售。

手機制造商們也主張提高能效要求，因為降低能耗可以作為衡量企業(yè)勇于承擔社會(huì )責任和吸引有環(huán)保意識的消費者的一種手段。在2008年年底，世界五大手機制造商(諾基亞、三星、索尼愛(ài)立信、摩托羅拉和LG)聯(lián)合制定了手機充電器星級分級制度。為達到嚴格的五星級標準，充電器在空載模式下的功耗將不得超過(guò)0.03W(30mW),這一數字僅為當前正在實(shí)施的能源之星EPS規范2.0版所規定限值的十分之一。

Power Integrations(PI)作為集成電路生產(chǎn)商，致力于幫助電源設計師達到這些嚴格的規范要求。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)《參考設計DI-158》)，其整個(gè)負載范圍內的平均效率可達74%，比能源之星EPS 2.0版的要求高出6%。圖1為能源之星對59款不同型號的外部電源進(jìn)行測試的結果。無(wú)需增加設計復雜度，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/適配器的電路設計圖。本設計適用于手機電池充電器、USB充電器或任何有恒壓/恒流特性要求的應用。該電路可為最高1A的負載提供5V恒流輸出，精度為±5%。當需要更大負載時(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)而設計的反激式電源。它不是傳統的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)調節使能與禁止開(kāi)關(guān)周期的比值和初級限流點(diǎn)來(lái)維持穩壓。這種控制方法在充電器設計中具有諸多獨特優(yōu)勢。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，達到最大輸出功率點(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測到壓降后進(jìn)入恒流模式。 在此模式下，隨著(zhù)電流需求的增大，開(kāi)關(guān)頻率將下降，從而實(shí)現線(xiàn)性恒流(CC)輸出。圖3給出了該電路的電流及電壓性能。

本設計中有幾大要素可以實(shí)現高效率和低成本。變壓器T1是其中的一個(gè)關(guān)鍵要素，其設計主要由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85kHz，幾乎是具有競爭性的BJT設計最高工作頻率45kHz的兩倍。頻率越高，就越容易減小變壓器尺寸及其層數，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導通，流經(jīng)T1初級繞組的電流則增大至LinkSwitch-II控制電路所允許的最大值。達到此值后，MOSFET關(guān)斷，儲存在T1中的能量會(huì )在磁場(chǎng)下降時(shí)轉移至次級繞組。輕載條件下，初級限流點(diǎn)下降，從而降低變壓器磁通密度。通過(guò)限流點(diǎn)控制、調整使能與禁止開(kāi)關(guān)周期的比值并根據輸出負載情況減低開(kāi)關(guān)損耗，可以?xún)?yōu)化轉換器在整個(gè)負載范圍內的效率。