USB 壁式充電器：便利與挑戰(zhàn)

如今，內(nèi)置 USB 充電器越來越受歡迎，甚至出現(xiàn)在咖啡和餐飲連鎖店中。新房子現(xiàn)在用 USB 壁式充電器建造，而現(xiàn)有的家庭裝修現(xiàn)在包括用 USB 充電器替換舊的交流插座。可見，免適配器充電既提供了快速充電的便利，也減少了雜亂。

鑒于 USB 壁式充電器的日益普及，我想就基本設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和注意事項(xiàng)提供一些觀察。最不尋常的挑戰(zhàn)是如何滿足嚴(yán)格的熱性能要求以符合安全規(guī)范。與外部或便攜式 AC/DC 適配器設(shè)計(jì)不同，內(nèi)置 USB 壁式充電器只能通過插座的安全蓋散熱。蓋子后面的一聯(lián)或兩聯(lián)箱被隔熱材料包圍。前蓋不能超過 60 oC. 圖 2 顯示了一個(gè)組合盒的示例。它的尺寸通常為 4”(L)x2.75”(W)x2.5”(D)。AC/DC電源方案的實(shí)際容納空間遠(yuǎn)小于尺寸數(shù)據(jù)所示。原因是通過背面的布線布置并連接到一個(gè)組合盒正面的插座。

插座蓋后允許的最大功耗為 2-3W。對于兩個(gè) 10W USB 端口，您需要 90% 的效率才能將損耗控制在 2W 以下。

TI 的UCC28700反激式控制器和UCC24610次級側(cè)同步整流器在用于商用 USB 充電器/雙工插座時(shí)可形成高效解決方案。該插座提供兩個(gè)總充電功率為 3.6A 的高功率 USB 端口，如圖 3 所示。電源開關(guān)TPS2561A用于提供雙 USB 輸出。

UCC28700系列反激式電源控制器在無需使用光耦合器的情況下提供恒定電壓(CV)和恒定電流(CC)輸出調(diào)節(jié)。此器件處理來自初級電源開關(guān)和一個(gè)輔助反激式繞組的信息以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流的精確控制。低啟動(dòng)電流、動(dòng)態(tài)控制運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和一個(gè)定制的調(diào)制參數(shù)在不犧牲啟動(dòng)時(shí)間或者輸出靜態(tài)響應(yīng)的情況下支持極低的待機(jī)功耗。
UCC28700系列中的控制算法使得運(yùn)行效率符合或者超過適用標(biāo)準(zhǔn)。輸出驅(qū)動(dòng)接至一個(gè)MOSFET電源開關(guān)。帶有谷值開關(guān)的斷續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)減少了開關(guān)損耗。開關(guān)頻率的調(diào)制和初級電流峰值振幅(FM和AM)在整個(gè)負(fù)載和線路范圍內(nèi)保持較高的轉(zhuǎn)換效率。
此控制器有一個(gè)130kHz的最大開關(guān)頻率并且一直保持對變壓器內(nèi)初級峰值電流的控制。保護(hù)特性有助于保持控制中的初級和次級應(yīng)力分量。UCC28700 可對線纜補(bǔ)償?shù)碾娖竭M(jìn)行設(shè)定。UCC28701， UCC28702 和UCC28703器件在提供固定線纜補(bǔ)償電平的同時(shí)使用一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻器來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度感測。

TPS2560A 和 TPS2561A是一款雙通道配電開關(guān)， 此器件用于對電流限制精度有要求或者會(huì)遇到重電容負(fù)載和短路的應(yīng)用。 這些器件借助一個(gè)外部電阻器為每個(gè)通道提供一個(gè)250mA至2.8A間（典型值） 的可編程電流限制閥值。 對電源開關(guān)的上升和下降次數(shù)進(jìn)行控制以便大大降低接通/切斷期間的電流浪涌。
當(dāng)輸出負(fù)載超過電流限制閥值時(shí)， 通過切換至恒定電流模式， TPS2560A/61A器件的每個(gè)通道將輸出電流限制到一個(gè)安全水平上。 在過流和過熱條件下， 每個(gè)通道的FAULTx邏輯輸出獨(dú)立低電平有效。

圖 2：墻壁插座板后面的典型一聯(lián)盒。

圖 3：具有雙輸出的 USB 壁式充電器實(shí)施

隨著 USB Type-C 連接器和 USB-PD 等新興應(yīng)用的出現(xiàn)，消費(fèi)者將尋求 20W 以上的充電功率，可以為智能手機(jī)、平板電腦和超極本電腦等設(shè)備充電。USB 壁式充電器必須具備更高的效率和高功率密度的 AC/DC 解決方案。TI 團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種高效高密度解決方案來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

UCC28700控制器的靜態(tài)功率水平控制在 100mW 以下。盡管目前尚無關(guān)于 USB 壁式充電器待機(jī)功率的行業(yè)法規(guī)，但我認(rèn)為降低待機(jī)功率對世界的影響仍然很明顯。例如，50mW 的靜態(tài)功率降低轉(zhuǎn)化為每年 438Wh 的功率節(jié)省。TI 的UCC28730反激式控制器甚至可以幫助實(shí)現(xiàn)零待機(jī)功耗 (<5mW)。

一旦支持 USB Type-C 的設(shè)備成為更主流的選擇，我預(yù)計(jì) USB 壁式充電器的采用速度會(huì)更快。當(dāng)酒店、機(jī)場、咖啡店、餐廳和家庭配備 USB Type-C 壁式充電器時(shí)，我們只需攜帶一根 USB Type-C 數(shù)據(jù)線即可，無需為不同的電子設(shè)備配備不同的充電器。作為一個(gè)經(jīng)常出差的人，我希望這一天快點(diǎn)到來。