USB充電解決方案：高效 AC 適配器

通用串行總線(xiàn)(USB)充電已經(jīng)成為小型電子產(chǎn)品的一種常見(jiàn)供電方法。許多新型消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備(例如：智能手機(jī)、平板電腦、電子閱讀器等)的AC電源適配器/電池充電器的功率范圍均為5到25W，并且都有一個(gè)USB標(biāo)準(zhǔn)A接口。5V適配器輸出電壓已經(jīng)成為兼容PC/桌面端口充電和通信的首選。目前主流的連接方法是使用一條標(biāo)準(zhǔn)(mini或者M(jìn)icro-B)USB線(xiàn)，而大多數(shù)情況下使用的卻是非標(biāo)準(zhǔn)型連接器。隨著人們對(duì)電池充電問(wèn)題關(guān)注度的提高，老式的“塊兒磚式適配器”正變身為一種外形“酷”、重量輕、設(shè)計(jì)時(shí)尚并且安全綠色的充電器。除滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)要求外，原始設(shè)備制造商還在不斷打破適配器效率和空載功耗(待機(jī)功耗)方面的性能局限性。例如，各大主要移動(dòng)電話(huà)充電器制造商已經(jīng)一致推行五星(空載功耗小于30 mW)充電器功耗評(píng)級(jí)制度。這讓廣大消費(fèi)者可以更加容易地比較和選擇那些能效高的充電器。

最近，人們?cè)诩ち矣懻撊绾螛?biāo)準(zhǔn)化移動(dòng)電話(huà)輸入，以及如何生產(chǎn)出一種能為所有手機(jī)充電的通用充電器。2006年，中國(guó)發(fā)布了一項(xiàng)新規(guī)定，旨在標(biāo)準(zhǔn)化墻上充電器及其連接線(xiàn)。無(wú)獨(dú)有偶，現(xiàn)在GSM協(xié)會(huì)(GSMA)也正領(lǐng)導(dǎo)制定“通用充電解決方案”適配器計(jì)劃，其目標(biāo)是用micro USB接口移動(dòng)電話(huà)供電。普通充電器要求提供5V±5%的電壓，最小電流為850 mA，空載功耗小于150 mW。另外，它還必須符合USB設(shè)計(jì)論壇(USB-IF)電池充電規(guī)范1.1(BC1.1)。*除便于消費(fèi)者使用以外，標(biāo)準(zhǔn)化充電器還可減少大量的多余充電器。另外，帶有多個(gè)USB插孔的AC適配器，讓消費(fèi)者可以在無(wú)需使用眾多專(zhuān)用充電器的情況下方便地為多種電子設(shè)備充電。一些高輸出電流充電器還允許進(jìn)行快速電池充電。相比限制電流500mA的標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0端口，這是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。人們對(duì)于這些改進(jìn)性能的需求日益增加，同時(shí)適配器設(shè)計(jì)也越來(lái)越小型化，這些都讓這種“黑匣子”中的熱管理成為擺在廣大電源設(shè)計(jì)者面前的一道巨大難題。

電源架構(gòu)

考慮到功耗大小問(wèn)題，圖1所示反向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其簡(jiǎn)單性和低成本成為我們的首選。二次側(cè)肖特基二極管整流器(圖1a)的傳導(dǎo)損耗，成為實(shí)現(xiàn)高效率、緊湊型適配設(shè)計(jì)的一個(gè)限制因素。例如，在一個(gè)典型5-V/3-A適配器中，滿(mǎn)負(fù)載條件下二極管整流器本身的功率損耗便可達(dá)到總系統(tǒng)損耗的30%到40%(忽略二次損耗對(duì)高一次側(cè)損耗的綜合影響)。為輸出(圖1b)安裝一個(gè)同步整流器(SR)，可以提高轉(zhuǎn)換器的總效率，并且由于產(chǎn)生的熱量更少(適配器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要)，因此系統(tǒng)熱管理更加容易。

圖 1 簡(jiǎn)化反向拓?fù)?/p>

*USB-IF BC1.2將充電電流范圍從1.5A擴(kuò)展至5A。

給經(jīng)典反向拓?fù)湓黾右粋€(gè)SR并不復(fù)雜，但卻可以大大降低總系統(tǒng)功耗。這種方法可有效改變功耗電平，功耗隨著MOSFET技術(shù)的快速發(fā)展而不斷降低。因此，同步整流現(xiàn)在適用于種類(lèi)繁多的各種產(chǎn)品。SR的低功耗特性讓設(shè)計(jì)人員可以使用一些體積更小的組件。這些組件擁有更少的散熱組件，從而實(shí)現(xiàn)降低組裝成本、產(chǎn)品尺寸和包裝重量的同時(shí)提高功率密度。

請(qǐng)注意，如果允許SR MOSFET在空載/待機(jī)狀態(tài)下開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)功耗性能可能會(huì)降低。除SR控制器IC所要求的靜態(tài)功耗以外，SR-MOSFET開(kāi)關(guān)功耗會(huì)成為實(shí)現(xiàn)最佳可行系統(tǒng)空載性能的限制因素。

綠色輸出整流：滿(mǎn)負(fù)載到空載

本文現(xiàn)在將為您介紹如 TI UCC24610綠色整流器控制器等IC如何簡(jiǎn)化USB充電器設(shè)計(jì)，以及如何實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)負(fù)載范圍的高系統(tǒng)效率。圖2顯示了有和沒(méi)有同步整流的一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化系統(tǒng)波形。這些波形是某個(gè)控制方案所產(chǎn)生的結(jié)果，其直接檢測(cè)MOSFET漏極到源極電壓(VDS)。相比其他實(shí)現(xiàn)方法，例如：一次側(cè)同步或者使用二次側(cè)電流變壓器實(shí)現(xiàn)的同步控制，這種控制方法在今天獲得了廣泛的使用。這種控制方案中，需讓SR控制器的關(guān)閉閾值盡可能地接近零，從而實(shí)現(xiàn)MOSFET通道的最大傳導(dǎo)時(shí)間。

圖 2 使用肖特基二極管和SR-MOSFET輸出整流的簡(jiǎn)化反向波形

我們可以對(duì)反向轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓它可以根據(jù)終端應(yīng)用要求工作在不同模式下。對(duì)于工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，變壓器二次繞組的電流在一次側(cè)MOSFET開(kāi)啟以前不會(huì)降至零，從而導(dǎo)致一定時(shí)間的交叉導(dǎo)電。在這類(lèi)轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)同步整流后，一旦一次側(cè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟SR MOSFET馬上就要關(guān)閉，這點(diǎn)極為重要。這樣可以防止出現(xiàn)反向?qū)щ?，并控制額外功耗和器件應(yīng)力。“綠色整流器”的同步功能檢測(cè)到一次側(cè)導(dǎo)通躍遷后，關(guān)閉SR MOSFET。圖3描述了SR門(mén)關(guān)斷躍遷現(xiàn)在如何受到一次側(cè)同步信號(hào)的控制，而不受VDS檢測(cè)的控制。

如前所述，實(shí)現(xiàn)同步整流可能會(huì)降低輕載效率和空載功耗。輕載或者空載功耗的主要原因是SR-MOSFET開(kāi)關(guān)和SR控制器IC偏置。“綠色整流器”成功地解決了這些問(wèn)題，方法是：(1)使用一個(gè)自動(dòng)輕載檢測(cè)電路，在其導(dǎo)電時(shí)間降至某個(gè)閾值以下時(shí)關(guān)閉SR MOSFET的門(mén)開(kāi)關(guān);(2)使用EN功能，讓IC進(jìn)入睡眠模式，消除靜態(tài)功耗。輕載檢測(cè)電路對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的SR導(dǎo)電時(shí)間和設(shè)定最小“導(dǎo)通”時(shí)間(MOT)進(jìn)行比較。當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，二次導(dǎo)電時(shí)間短于MOT，且下一個(gè)SR門(mén)脈沖失效。利用控制器IC的EN功能，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低空載功耗。我們可以使用一種MOSFET漏極電壓的簡(jiǎn)易均衡電路，空載狀態(tài)下讓IC進(jìn)入睡眠模式，從而將IC的偏置電流消耗限制在100 μA。利用這種方法，可以再降低10mW的空載功耗。提高空載性能的最后一步是添加一個(gè)低電流肖特基二極管，并與SR MOSFET并聯(lián)在一起。

圖 3 一次側(cè)同步的典型 CCM 反向波形

例如，我們使用兩個(gè)控制器芯片組(TI UCC28610和UCC24610)，為平板電腦終端應(yīng)用設(shè)計(jì)一種3A額定電流的USB充電器。訪(fǎng)問(wèn)本文末尾的網(wǎng)站地址，可以查看到這種充電器的參考設(shè)計(jì)(PMP4305)。UCC24610非常適合于那些使用5-V反向開(kāi)關(guān)模式電源的應(yīng)用，并且可以工作在4.75到5.25 V規(guī)定USB電壓范圍內(nèi)。因此，這種SR控制器直接偏置于轉(zhuǎn)換器輸出，無(wú)需在主電源變壓器上安裝輔助繞組。這種控制器還允許使用兩個(gè)消隱計(jì)時(shí)器的外部編程，防止導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)渡期間檢測(cè)到的VDS振鈴引起SR偽觸發(fā)。圖4顯示了滿(mǎn)負(fù)載狀態(tài)下PMP4305的典型功率級(jí)波形。IC控制方案不受導(dǎo)通時(shí)VDS信號(hào)的嚴(yán)重振鈴所影響，因?yàn)榭删幊蘉OT計(jì)時(shí)器在此期間禁用了VTHOFF比較器。

圖 4 PMP4305 滿(mǎn)負(fù)載波形

圖5顯示了115V和230V AC線(xiàn)壓狀態(tài)下SR-MOSFET和肖特基二極管輸出整流效率之間的對(duì)比情況。實(shí)現(xiàn)同步整流，可在滿(mǎn)負(fù)載到約25%滿(mǎn)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)80%以上的效率。另外，在這一負(fù)載范圍內(nèi)，通過(guò)肖特基二極管整流可實(shí)現(xiàn)3到5個(gè)百分點(diǎn)的效率提高。

圖 5 肖特基二極管與同步整流(SR)系統(tǒng)效率對(duì)比圖

結(jié)論

消費(fèi)類(lèi)設(shè)備USB充電解決方案正受到越來(lái)越多人的關(guān)注。擁有多個(gè)USB接口的10W到25W充電器通用標(biāo)準(zhǔn)，可為多種設(shè)備供電，無(wú)需為每一種新的電子設(shè)備都配備一個(gè)新的墻上充電器。我們需要使用一些高效率的AC/DC轉(zhuǎn)換器，才能滿(mǎn)足高密度小型適配不斷發(fā)展的需求。如UCC24610“綠色整流器”等器件，可以幫助提高AC/DC轉(zhuǎn)換器效率，并實(shí)現(xiàn)高密度USB充電器設(shè)計(jì)。