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高效率的低功率充电器和适配器设计

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标签: 充电器

充电器

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高效率的½功率充电器和适配器设计
如图
1
所示的线性稳压电源因具有电路简单和成本½廉的优点,一直在½功率应用中很受
欢迎。这个线性稳压电源只需少量元件,且与开关电源(SMPS)相比,更易于设计和制造。
½管与线性电源相比,SMPS 有½积更小、重量更½、可在全球范围内适用以及½效更高
等多种优势,½无论是制造商还是消费者½不愿因此而付出额外费用。
然而,由于下面两个原因,近年来线性电源开始失宠:其一,许多线性电源½是½为
PDA、
无绳电话和手机等产品的外部电源(EPS)绑定销售。如今
EPS
必须遵循严格的新节½标准,
而此类标准几乎将线性电源排除在外,
因为线性电源通常无法达到工½效率和空½½功耗方面
的标准(图
2)。
其二,大多数先进的½功率
SMPS
在成本和简单性方面与线性电源相½。本文将探讨½功
SMPS
在初步应用阶段的不足之处,并讨论一种可行的方法,以帮助设计工程师设计出
在成本效益方面符合
EPS
新节½标准的产品,并同时缩短设计时间、简化设计工½。
1
:基于线性稳压器、线性工频变压器的
AC/DC
电源电路。
½功率
SMPS
的传统设计方法
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直到最近,实现½功率
SMPS
的成本最½的方式是采用振铃扼流变换器(RCC),如图
3
示。½
RCC
有许多缺点,无法取代线性电源,因此在开发符合
EPS
新节½标准的设计时
必须考虑到这些缺点。
首先,RCC 本身并不节½,同时也没有热关断保护功½,½所有这些特性½必须添加到基
本的
RCC
设计中,导致成本和设计周期上升。另外,典型的
RCC
所包含的元件数是同等
线性电源的
5~10
倍,½然大部分元件½非常便宜,½由于绝对数量大,所以设计和制造成
本较高。
2
:各种线性电源与
EPS
新节½标准之比较。
元件数目越多,PCB 走线就越复杂,优化布局所需的时间也越长,元件贴装时发生误差的
可½性也越高。首先,由于为½功率充电器和适配器分配的电路板尺寸通常½非常小,所以
往往需要½用双面板来安装表面贴器件(SMD)和进行所有的连接。其次,贴装
SMD
元件还
需要额外的制造步骤,这样会增加生产时间和成本。最后,RCC 的性½取决于难以控制的
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寄生元件值与大量分立元件的组合公差之间的交互½用,在制造过程中需要持续监控和调
整,以½收益率保持在可接受的水平。从图
3
RCC
电路中,可以发现许多这样的缺点:
1.
½效率的启动电路
典型的启动电路(图
3
中的
R1、R2、R3
VR1)会向 MOSFET
开关驱动电路提供初始工½
电流。½是,即½正常工½开始后电流仍会持续流经启动电路,而压降电阻(R1 和
R2)中的
功率损耗(I
2
R)会½许多 SMPS(并非仅 RCC)无法满足 EPS
节½标准的空½½功耗要求。½电
源工½正常后,可以添加元件来抑制电流流动,½会增加设计的元件数量、复杂度和成本。
任½实用的解决方案½必须½消除启动后的损耗,同时不会增加电源的元件数目或成本。
2.
开关频率/MOSFET 栅极驱动
由于
RCC
采用自激振荡方式,
所以它的开关频率(F
SW
)取决于以下诸多因素:
变压器电感及
其元件与元件间的差异、电阻和电容值的公差及稳定性、电源提供的负½½电流数量,以及电
源工½的环境温度。一个基本
RCC
F
SW
在很大程度上取决于变压器磁芯中的磁通复½时
间,因此
F
SW
在满½½时最½,在空½½时最高。
为满足
EPS
节½标准,电源的
F
SW
必须在负½½下降时大幅降½。如果不提高
RCC
电源的
设计复杂度、元件数量和成本,就无法解决此问题。
控制
MOSFET Q1
的开关需要八个分立元件(图
3
中的
Q2、C3、C4、C5、R4、R5、R7
VR2)和一个变压器 T1
绕组。这种方法的不精确性可导致
MOSFET
性½、电源效½发
生变化,并产生
EMI。½用 PWM
控制
IC
可以解决许多问题,同时还可减少元件数量,½
此类
IC
在输出功率½于
10W
的应用上几乎不具任½成本优势。此外,目前很少有控制
IC
可以在输出负½½下降时自动降½
F
SW
,大多数控制 IC
只具有在空½½或接近空½½时工½的突发
模式。
3. MOSFET(初级侧)的电流检测
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电流检测电阻(图
3
中的
R6)必须具有严格的公差和良½的温度稳定性,因此价格比较昂贵。
除此之外,检测电阻还½有效增加
MOSFET
R
DSON
,½电源效½降½
1~2%。在此功率
范围内,电流检测变压器的成本高得惊人,而另一种检测
MOSFET
电流的方式又需要专利
的集成技术。
不过,
找到不用电流检测电阻的方法可以降½元件数量和成本,
同时提高效½。
3
:采用
RCC
实现的
5V/0.4 A/2W SMPS AC/DC
电源。
4.
电压检测和反馈
电源次级侧的四个元件(图
3
中的
R12、R13、VR3
U1-A)用于检测输出电压,并将反馈
信号传递给次级侧,以便控制
Q1
的占空比。次级侧的元件数量已经很少了,除非降½稳压
精度要求,否则无法再减少次级侧的元件数量。然而,如果要为次级侧的
U1-B
集电极提供
支持,则需要一个二极管和
RC
滤波器
(D5、C6
R8)。消除这些元件可以简化次级侧 P
CB
的走线½络。
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5.
漏极节点箝½
可以在½功率
SMPS
中除去的最后一个元件便是漏极节点箝½(图
3
中的
D6、
C7、
R
R9
10)。去除箝½可以减少 PCB
次级侧所需的空间,并½走线布局更快、更容易。
6.
缺乏热保护
RCC
本身并不具备过热保护功½,½由于大多数线性电源½具有温度保险丝(见图
1),所以
该功½已成为全行业的
EPS
标准。增加温度传感器和关断电路只会增加
RCC
电源的设计
时间、材料和制造成本。
基于集成的
SMPS IC
的解决方案
通过½用高度集成的功率½换
IC,可以消除 RCC
电源设计和制造过程中存在的所有缺点。
这个芯片集成了一个控制器、一个功率
MOSFET,以及片上保护功½。这种方法可以½元
件数量保持在较½水平,不仅可以降½时间、劳动和材料成本,而且还可以降½
PCB
布局
和制造成本。实际上,高度集成的功率½换
IC
已经实现商业化,这½得设计出符合成本、
元件数量和设计简单性的½功率
SMPS
成为可½。此外,基于
IC
的电源与线性电源或
RC
C
相比,通常在最终用户安全性、应用可靠性和节½性½方面表现出色。
4
是采用高度集成的功率½换
IC
而设计的
2W SMPS
的电路图。该电路的元件数量只
有图
3
RCC
电路的元件数量的一半,
从而大大简化了设计和制造工½并降½了相关成本。
实际上,在对材料、设计时间、可制造性和运输物流等方面进行全面、精确的对比之后可以
发现,该电路的生产成本等于或½于同等线性电源的成本。
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