高效率的低功率充電器和適配器設計

然而，由于下面兩個(gè)原因，近年來(lái)線(xiàn)性電源開(kāi)始失寵：其一，許多線(xiàn)性電源都是作為PDA、無(wú)繩電話(huà)和手機等產(chǎn)品的外部電源(EPS)綁定銷(xiāo)售。如今EPS必須遵循嚴格的新節能標準，而此類(lèi)標準幾乎將線(xiàn)性電源排除在外，因為線(xiàn)性電源通常無(wú)法達到工作效率和空載功耗方面的標準(圖2)。

其二，大多數先進(jìn)的低功率SMPS在成本和簡(jiǎn)單性方面與線(xiàn)性電源相當。本文將探討低功率SMPS在初步應用階段的不足之處，并討論一種可行的方法，以幫助設計工程師設計出在成本效益方面符合EPS新節能標準的產(chǎn)品，并同時(shí)縮短設計時(shí)間、簡(jiǎn)化設計工作。

圖1：基于線(xiàn)性穩壓器、線(xiàn)性工頻變壓器的AC/DC電源電路。

低功率SMPS的傳統設計方法

直到最近，實(shí)現低功率SMPS的成本最低的方式是采用振鈴扼流變換器(RCC)，如圖3所示。但RCC有許多缺點(diǎn)，無(wú)法取代線(xiàn)性電源，因此在開(kāi)發(fā)符合EPS新節能標準的設計時(shí)必須考慮到這些缺點(diǎn)。

首先，RCC本身并不節能，同時(shí)也沒(méi)有熱關(guān)斷保護功能，但所有這些特性都必須添加到基本的RCC設計中，導致成本和設計周期上升。另外，典型的RCC所包含的元件數是同等線(xiàn)性電源的5~10倍，雖然大部分元件都非常便宜，但由于絕對數量大，所以設計和制造成本較高。

圖2：各種線(xiàn)性電源與EPS新節能標準之比較。

元件數目越多，PCB走線(xiàn)就越復雜，優(yōu)化布局所需的時(shí)間也越長(cháng)，元件貼裝時(shí)發(fā)生誤差的可能性也越高。首先，由于為低功率充電器和適配器分配的電路板尺寸通常都非常小，所以往往需要使用雙面板來(lái)安裝表面貼器件(SMD)和進(jìn)行所有的連接。其次，貼裝SMD元件還需要額外的制造步驟，這樣會(huì )增加生產(chǎn)時(shí)間和成本。最后，RCC的性能取決于難以控制的寄生元件值與大量分立元件的組合公差之間的交互作用，在制造過(guò)程中需要持續監控和調整，以使收益率保持在可接受的水平。從圖3的RCC電路中，可以發(fā)現許多這樣的缺點(diǎn)：

1. 低效率的啟動(dòng)電路

典型的啟動(dòng)電路(圖3中的R1、R2、R3和VR1)會(huì )向MOSFET開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路提供初始工作電流。但是，即使正常工作開(kāi)始后電流仍會(huì )持續流經(jīng)啟動(dòng)電路，而壓降電阻(R1和R2)中的功率損耗(I²R)會(huì )使許多SMPS(并非僅RCC)無(wú)法滿(mǎn)足EPS節能標準的空載功耗要求。當電源工作正常后，可以添加元件來(lái)抑制電流流動(dòng)，但會(huì )增加設計的元件數量、復雜度和成本。任何實(shí)用的解決方案都必須能消除啟動(dòng)后的損耗，同時(shí)不會(huì )增加電源的元件數目或成本。

2. 開(kāi)關(guān)頻率/MOSFET柵極驅動(dòng)

由于RCC采用自激振蕩方式，所以它的開(kāi)關(guān)頻率(F_SW)取決于以下諸多因素：變壓器電感及其元件與元件間的差異、電阻和電容值的公差及穩定性、電源提供的負載電流數量，以及電源工作的環(huán)境溫度。一個(gè)基本RCC的F_SW在很大程度上取決于變壓器磁芯中的磁通復位時(shí)間，因此F_SW在滿(mǎn)載時(shí)最低，在空載時(shí)最高。

為滿(mǎn)足EPS節能標準，電源的F_SW必須在負載下降時(shí)大幅降低。如果不提高RCC電源的設計復雜度、元件數量和成本，就無(wú)法解決此問(wèn)題。

控制MOSFET Q1的開(kāi)關(guān)需要八個(gè)分立元件(圖3中的Q2、C3、C4、C5、R4、R5、R7和VR2)和一個(gè)變壓器T1繞組。這種方法的不精確性可導致MOSFET 性能、電源效能發(fā)生變化，并產(chǎn)生EMI。使用PWM控制IC可以解決許多問(wèn)題，同時(shí)還可減少元件數量，但此類(lèi)IC在輸出功率低于10W的應用上幾乎不具任何成本優(yōu)勢。此外，目前很少有控制IC可以在輸出負載下降時(shí)自動(dòng)降低F_SW,大多數控制IC只具有在空載或接近空載時(shí)工作的突發(fā)模式。

3. MOSFET(初級側)的電流檢測

電流檢測電阻(圖3中的R6)必須具有嚴格的公差和良好的溫度穩定性，因此價(jià)格比較昂貴。除此之外，檢測電阻還能有效增加MOSFET的R_DSON，使電源效能降低1~2%。在此功率范圍內，電流檢測變壓器的成本高得驚人，而另一種檢測MOSFET電流的方式又需要專(zhuān)利的集成技術(shù)。不過(guò)，找到不用電流檢測電阻的方法可以降低元件數量和成本，同時(shí)提高效能。

圖3：采用RCC實(shí)現的5V/0.4 A/2W SMPS AC/DC電源。

4. 電壓檢測和反饋

電源次級側的四個(gè)元件(圖3中的R12、R13、VR3和U1-A)用于檢測輸出電壓，并將反饋信號傳遞給次級側，以便控制Q1的占空比。次級側的元件數量已經(jīng)很少了，除非降低穩壓精度要求，否則無(wú)法再減少次級側的元件數量。然而，如果要為次級側的U1-B集電極提供支持，則需要一個(gè)二極管和RC濾波器 (D5、C6和R8)。消除這些元件可以簡(jiǎn)化次級側PCB的走線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

5. 漏極節點(diǎn)箝位

可以在低功率SMPS中除去的最后一個(gè)元件便是漏極節點(diǎn)箝位(圖3中的D6、C7、R9和R10)。去除箝位可以減少PCB次級側所需的空間，并使走線(xiàn)布局更快、更容易。

6. 缺乏熱保護

RCC本身并不具備過(guò)熱保護功能，但由于大多數線(xiàn)性電源都具有溫度保險絲(見(jiàn)圖1)，所以該功能已成為全行業(yè)的EPS標準。增加溫度傳感器和關(guān)斷電路只會(huì )增加RCC電源的設計時(shí)間、材料和制造成本。

基于集成的SMPS IC的解決方案

通過(guò)使用高度集成的功率轉換IC，可以消除RCC電源設計和制造過(guò)程中存在的所有缺點(diǎn)。這個(gè)芯片集成了一個(gè)控制器、一個(gè)功率MOSFET，以及片上保護功能。這種方法可以使元件數量保持在較低水平，不僅可以降低時(shí)間、勞動(dòng)和材料成本，而且還可以降低PCB布局和制造成本。實(shí)際上，高度集成的功率轉換IC已經(jīng)實(shí)現商業(yè)化，這使得設計出符合成本、元件數量和設計簡(jiǎn)單性的低功率SMPS成為可能。此外，基于IC的電源與線(xiàn)性電源或RCC相比，通常在最終用戶(hù)安全性、應用可靠性和節能性能方面表現出色。

圖4 是采用高度集成的功率轉換IC而設計的2W SMPS的電路圖。該電路的元件數量只有圖3中RCC電路的元件數量的一半，從而大大簡(jiǎn)化了設計和制造工作并降低了相關(guān)成本。實(shí)際上，在對材料、設計時(shí)間、可制造性和運輸物流等方面進(jìn)行全面、精確的對比之后可以發(fā)現，該電路的生產(chǎn)成本等于或低于同等線(xiàn)性電源的成本。

圖4：基于LinkSwitch-XT的2W CV輸出電源電路圖。

這個(gè)IC將一個(gè)高電壓(700V)功率MOSFET和一個(gè)低壓控制器集成到一個(gè)單芯片上，可減少元件數量。IC的開(kāi)/關(guān)控制能進(jìn)行無(wú)輸出過(guò)沖快速啟動(dòng)，且無(wú)需控制環(huán)路頻率補償元件?？刂破魍ㄟ^(guò)連接在漏極引腳上的內部高壓電流源實(shí)現自供電，無(wú)需外部啟動(dòng)和偏置電源電路，這不僅進(jìn)一步減少了元件數量，而且還降低了空載功耗?？刂破魍ㄟ^(guò)跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期來(lái)調節電源的輸出電壓；當負載所需電流的下降，周期跳頻能有效降低F_SW，從而進(jìn)一步降低空載功耗并提高工作效率。

該IC 還具備內置的、自動(dòng)恢復遲滯過(guò)熱關(guān)斷功能，在無(wú)需增加元件數量的情況下便可提高用戶(hù)安全性和應用的可靠性。同樣，無(wú)需添加任何其它元件，通過(guò)集成在芯片上的自動(dòng)重啟動(dòng)功能就可防止電源出現輸出短路及反饋環(huán)路開(kāi)環(huán)的情況。最后，專(zhuān)利的芯片設計和創(chuàng )新的變壓器繞制技術(shù)可實(shí)現漏極節點(diǎn)無(wú)箝位設計，以減少元件數量、設計時(shí)間及PCB布局時(shí)間。

本文小結

迄今為止，RCC始終是功率范圍低于 4W的SMPS中成本最低的一種設計。然而，由于RCC對元件需求很大，存在設計和生產(chǎn)困難，且不做大規模重新設計就難以達到節能標準，所以它不會(huì )成為正被逐漸淘汰的線(xiàn)性電源的理想替代品。本文對RCC電源的各個(gè)方面進(jìn)行了分析，試圖尋求降低元件數量的方法。將諸多電路功能集成到一個(gè)單芯片上可能是降低元件數量的最經(jīng)濟的方法，同時(shí)還可使電源符合EPS節能標準。具備這些電路功能的功率轉換IC現已投入市場(chǎng)，電源設計工程師可根據設計需要進(jìn)行選擇。