高效率的低功率充電器和適配器設(shè)計(jì)

如圖1所示的線性穩(wěn)壓電源因具有電路簡單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，一直在低功率應(yīng)用中很受歡迎。這個(gè)線性穩(wěn)壓電源只需少量元件，且與開關(guān)電源(SMPS)相比，更易于設(shè)計(jì)和制造。盡管與線性電源相比，SMPS有體積更小、重量更輕、可在全球范圍內(nèi)適用以及能效更高等多種優(yōu)勢，但無論是制造商還是消費(fèi)者都不愿因此而付出額外費(fèi)用。

然而，由于下面兩個(gè)原因，近年來線性電源開始失寵：其一，許多線性電源都是作為PDA、無繩電話和手機(jī)等產(chǎn)品的外部電源(EPS)綁定銷售。如今EPS必須遵循嚴(yán)格的新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，而此類標(biāo)準(zhǔn)幾乎將線性電源排除在外，因?yàn)榫€性電源通常無法達(dá)到工作效率和空載功耗方面的標(biāo)準(zhǔn)(圖2)。

其二，大多數(shù)先進(jìn)的低功率SMPS在成本和簡單性方面與線性電源相當(dāng)。本文將探討低功率SMPS在初步應(yīng)用階段的不足之處，并討論一種可行的方法，以幫助設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出在成本效益方面符合EPS新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，并同時(shí)縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、簡化設(shè)計(jì)工作。

圖1：基于線性穩(wěn)壓器、線性工頻變壓器的AC/DC電源電路。

低功率SMPS的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

直到最近，實(shí)現(xiàn)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)，無法取代線性電源，因此在開發(fā)符合EPS新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到這些缺點(diǎn)。

首先，RCC本身并不節(jié)能，同時(shí)也沒有熱關(guān)斷保護(hù)功能，但所有這些特性都必須添加到基本的RCC設(shè)計(jì)中，導(dǎo)致成本和設(shè)計(jì)周期上升。另外，典型的RCC所包含的元件數(shù)是同等線性電源的5~10倍，雖然大部分元件都非常便宜，但由于絕對(duì)數(shù)量大，所以設(shè)計(jì)和制造成本較高。

圖2：各種線性電源與EPS新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)之比較。

元件數(shù)目越多，PCB走線就越復(fù)雜，優(yōu)化布局所需的時(shí)間也越長，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，在制造過程中需要持續(xù)監(jiān)控和調(diào)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(xiàn)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開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路提供初始工作電流。但是，即使正常工作開始后電流仍會(huì)持續(xù)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)無法滿足EPS節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的空載功耗要求。當(dāng)電源工作正常后，可以添加元件來抑制電流流動(dòng)，但會(huì)增加設(shè)計(jì)的元件數(shù)量、復(fù)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(shù)目或成本。

2. 開關(guān)頻率/MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)

由于RCC采用自激振蕩方式，所以它的開關(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(wěn)定性、電源提供的負(fù)載電流數(shù)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(fù)位時(shí)間，因此F_SW在滿載時(shí)最低，在空載時(shí)最高。

為滿足EPS節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，電源的F_SW必須在負(fù)載下降時(shí)大幅降低。如果不提高RCC電源的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、元件數(shù)量和成本，就無法解決此問題。

控制MOSFET Q1的開關(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(dǎo)致MOSFET 性能、電源效能發(fā)生變化，并產(chǎn)生EMI。使用PWM控制IC可以解決許多問題，同時(shí)還可減少元件數(shù)量，但此類IC在輸出功率低于10W的應(yīng)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(fù)載下降時(shí)自動(dòng)降低F_SW,大多數(shù)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(jí)側(cè))的電流檢測

電流檢測電阻(圖3中的R6)必須具有嚴(yán)格的公差和良好的溫度穩(wěn)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(nèi)，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利的集成技術(shù)。不過，找到不用電流檢測電阻的方法可以降低元件數(shù)量和成本，同時(shí)提高效能。

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

4. 電壓檢測和反饋

電源次級(jí)側(cè)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(hào)傳遞給次級(jí)側(cè)，以便控制Q1的占空比。次級(jí)側(cè)的元件數(shù)量已經(jīng)很少了，除非降低穩(wěn)壓精度要求，否則無法再減少次級(jí)側(cè)的元件數(shù)量。然而，如果要為次級(jí)側(cè)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化次級(jí)側(cè)PCB的走線網(wǎng)絡(luò)。

5. 漏極節(jié)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(jié)點(diǎn)箝位(圖3中的D6、C7、R9和R10)。去除箝位可以減少PCB次級(jí)側(cè)所需的空間，并使走線布局更快、更容易。

6. 缺乏熱保護(hù)

RCC本身并不具備過熱保護(hù)功能，但由于大多數(shù)線性電源都具有溫度保險(xiǎn)絲(見圖1)，所以該功能已成為全行業(yè)的EPS標(biāo)準(zhǔn)。增加溫度傳感器和關(guān)斷電路只會(huì)增加RCC電源的設(shè)計(jì)時(shí)間、材料和制造成本。

基于集成的SMPS IC的解決方案

通過使用高度集成的功率轉(zhuǎn)換IC，可以消除RCC電源設(shè)計(jì)和制造過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(hù)功能。這種方法可以使元件數(shù)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(zhuǎn)換IC已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這使得設(shè)計(jì)出符合成本、元件數(shù)量和設(shè)計(jì)簡單性的低功率SMPS成為可能。此外，基于IC的電源與線性電源或RCC相比，通常在最終用戶安全性、應(yīng)用可靠性和節(jié)能性能方面表現(xiàn)出色。

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

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(shù)量。IC的開/關(guān)控制能進(jìn)行無輸出過沖快速啟動(dòng)，且無需控制環(huán)路頻率補(bǔ)償元件?？刂破魍ㄟ^連接在漏極引腳上的內(nèi)部高壓電流源實(shí)現(xiàn)自供電，無需外部啟動(dòng)和偏置電源電路，這不僅進(jìn)一步減少了元件數(shù)量，而且還降低了空載功耗?？刂破魍ㄟ^跳過開關(guān)周期來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓；當(dāng)負(fù)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(nèi)置的、自動(dòng)恢復(fù)遲滯過熱關(guān)斷功能，在無需增加元件數(shù)量的情況下便可提高用戶安全性和應(yīng)用的可靠性。同樣，無需添加任何其它元件，通過集成在芯片上的自動(dòng)重啟動(dòng)功能就可防止電源出現(xiàn)輸出短路及反饋環(huán)路開環(huán)的情況。最后，專利的芯片設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的變壓器繞制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)漏極節(jié)點(diǎn)無箝位設(shè)計(jì)，以減少元件數(shù)量、設(shè)計(jì)時(shí)間及PCB布局時(shí)間。

本文小結(jié)

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(shè)計(jì)。然而，由于RCC對(duì)元件需求很大，存在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)困難，且不做大規(guī)模重新設(shè)計(jì)就難以達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，所以它不會(huì)成為正被逐漸淘汰的線性電源的理想替代品。本文對(duì)RCC電源的各個(gè)方面進(jìn)行了分析，試圖尋求降低元件數(shù)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(shù)量的最經(jīng)濟(jì)的方法，同時(shí)還可使電源符合EPS節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。具備這些電路功能的功率轉(zhuǎn)換IC現(xiàn)已投入市場，電源設(shè)計(jì)工程師可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇。