USB充電器解決方案：高效AC電源適配器

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USB充電器解決方案：高效AC電源適配器

近，人們在激烈討論如何標準化移動電話輸入，以及如何生產出一種能為所有手機充電器。2006年，發布了一項新規定，旨在標準化墻上充電器及其連接線。無獨有偶，現在GSM協會（GSMA）也正領導制定“通用充電解決方案”適配器計劃，其目標是用micro USB接口移動電話供電。普通充電器要求提供5V±5%的電壓，小電流為850 mA，空載功耗小于150 mW。另外，它還必須符合USB設計論壇（USB-IF）電池充電規范1.1（BC1.1）。*除便于消費者使用以外，標準化充電器還可減少大量的多余充電器。另外，帶有多個USB插孔的AC適配器，讓消費者可以在無需使用眾多專用充電器的情況下方便地為多種電子設備充電。一些高輸出電流充電器還允許進行快速電池充電。相比限制電流500mA的標準USB 2.0端口，這是一個重要優勢。人們對于這些改進性能的需求日益增加，同時適配器設計也越來越小型化，這些都讓這種“黑匣子”中的熱管理成為擺在廣大電源設計者面前的一道巨大難題。
通用串行總線（USB）充電已經成為小型電子產品的一種常見供電方法。許多新型消費類電子設備（例如：智能手機、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USB標準A接口。5V適配器輸出電壓已經成為兼容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準（mini或者Micro-B）USB線，而大多數情況下使用的卻是非標準型連接器。隨著人們對電池充電問題關注度的提高，老式的“塊兒磚式適配器”正變身為一種外形“酷”、重量輕、設計時尚并且安全綠色的充電器。除滿足標準調節要求外，原始設備制造商還在不斷打破適配器效率和空載功耗（待機功耗）方面的性能局限性。例如，各大主要移動電話充電器制造商已經一致推行五星（空載功耗小于30 mW）充電器功耗評級制度。這讓廣大消費者可以更加容易地比較和選擇那些能效高的充電器。
電源架構
考慮到功耗大小問題，圖1所示反向拓撲結構因其簡單性和低成本成為我們的首選。二次側肖特基二極管整流器（圖1a）的傳導損耗，成為實現高效率、緊湊型適配設計的一個限制因素。例如，在一個典型5-V/3-A適配器中，滿負載條件下二極管整流器本身的功率損耗便可達到總系統損耗的30%到40%（忽略二次損耗對高一次側損耗的綜合影響）。為輸出（圖1b）安裝一個同步整流器（SR），可以提高轉換器的總效率，并且由于產生的熱量更少（適配器設計中至關重要），因此系統熱管理更加容易。
圖 1 簡化反向拓撲

電源適配器廠家

USB-IF BC1.2將充電電流范圍從1.5A擴展至5A。
給經典反向拓撲增加一個SR并不復雜，但卻可以大大降低總系統功耗。這種方法可有效改變功耗電平，功耗隨著MOSFET技術的快速發展而不斷降低。因此，同步整流現在適用于種類繁多的各種產品。SR的低功耗特性讓設計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，從而實現降低組裝成本、產品尺寸和包裝重量的同時提高功率密度。
請注意，如果允許SR MOSFET在空載/待機狀態下開關，系統功耗性能可能會降低。除SR控制器IC所要求的靜態功耗以外，SR-MOSFET開關功耗會成為實現佳可行系統空載性能的限制因素。
綠色輸出整流：滿負載到空載
本文現在將為您介紹如 TI UCC24610TM綠色整流器控制器等IC如何簡化USB充電器設計，以及如何實現滿負載范圍的高系統效率。圖2顯示了有和沒有同步整流的一個反向轉換器的簡化系統波形。這些波形是某個控制方案所產生的結果，其直接檢測MOSFET漏極到源極電壓（VDS）。相比其他實現方法，例如：一次側同步或者使用二次側電流變壓器實現的同步控制，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控制器的關閉閾值盡可能地接近零，從而實現MOSFET通道的大傳導時間。
圖 2 使用肖特基二極管和SR-MOSFET輸出整流的簡化反向波形

電源適配器

我們可以對反向轉換器進行設計，讓它可以根據終端應用要求工作在不同模式下。對于工作在連續導電模式（CCM）下的設計來說，變壓器二次繞組的電流在一次側MOSFET開啟以前不會降至零，從而導致一定時間的交叉導電。在這類轉換器中實現同步整流后，一旦一次側開關開啟SR MOSFET馬上就要關閉，這點極為重要。這樣可以防止出現反向導電，并控制額外功耗和器件應力。“綠色整流器”的同步功能檢測到一次側導通躍遷后，關閉SR MOSFET。圖3描述了SR門關斷躍遷現在如何受到一次側同步信號的控制，而不受VDS檢測的控制。
如前所述，實現同步整流可能會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開關和SR控制器IC偏置。“綠色整流器”成功地解決了這些問題，方法是：（1）使用一個自動輕載檢測電路，在其導電時間降至某個閾值以下時關閉SR MOSFET的門開關；（2）使用EN功能，讓IC進入睡眠模式，消除靜態功耗。輕載檢測電路對每個開關周期的SR導電時間和設定小“導通”時間（MOT）進行比較。當負載降低時，二次導電時間短于MOT，且下一個SR門脈沖失效。利用控制器IC的EN功能，可實現進一步降低空載功耗。我們可以使用一種MOSFET漏極電壓的簡易均衡電路，空載狀態下讓IC進入睡眠模式，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。提高空載性能的后一步是添加一個低電流肖特基二極管，并與SR MOSFET并聯在一起。

例如，我們使用兩個控制器芯片組（TI UCC28610和UCC24610），為平板電腦終端應用設計一種3A額定電流的USB充電器。訪問本文末尾的網站地址，可以查看到這種充電器的參考設計（PMP4305）。UCC24610非常適合于那些使用5-V反向開關模式電源的應用，并且可以工作在4.75到5.25 V規定USB電壓范圍內。因此，這種SR控制器直接偏置于轉換器輸出，無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消隱計時器的外部編程，防止導通和關斷過渡期間檢測到的VDS振鈴引起SR偽觸發。圖4顯示了滿負載狀態下PMP4305的典型功率級波形。IC控制方案不受導通時VDS信號的嚴重振鈴所影響，因為可編程MOT計時器在此期間禁用了VTHOFF比較器。
圖 4 PMP4305 滿負載波形

圖5顯示了115V和230V AC線壓狀態下SR-MOSFET和肖特基二極管輸出整流效率之間的對比情況。實現同步整流，可在滿負載到約25%滿負載范圍內實現80%以上的效率。另外，在這一負載范圍內，通過肖特基二極管整流可實現3到5個百分點的效率提高。
圖 5 肖特基二極管與同步整流（SR）系統效率對比圖

結論
消費類設備USB充電解決方案正受到越來越多人的關注。擁有多個USB接口的10W到25W充電器通用標準，可為多種設備供電，無需為每一種新的電子設備都配備一個新的墻上充電器。我們需要使用一些高效率的AC/DC轉換器，才能滿足高密度小型適配不斷發展的需求。如UCC24610“綠色整流器”等器件，可以幫助提高AC/DC轉換器效率，并實現高密度USB充電器設計。

桌面式電源充電器生產廠家