高效率低成本充电器设计.pdf

高效率的低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低廉的优点,一直在低功率应用中很受
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
尽管与线性电源相比,SMPS有体积更小、重量更轻、可在全球范围内适用以及能效更高
等多种优势,但无论是制造商还是消费者都不感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,许多线性电源都是作为PDA、
无缆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能标准,
而此类标准儿乎将线性电源排除在外,因为线性电源通常无法达倒工作效率和空载功耗方面
的标准(图2)。
其二,大多数先进的低功率SMPS在成本和简单性方面与线性电源相当。本文将探讨低功
率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新节能标准的产品,并同时缩短设计时间、简化设计工作。
热熔丝
鼓性调节器
输
输入
1:开线性稳压解、线性.変压器的AC/DC也源也路
低功率SMPS的传统设计方法
直到最近,实现低功率SMPS的成本最低的方式是采用振铃扼流变换器(RCC),如图3所
示。但RCC有许多缺点,无法取代线性电源,因此在开发符合EPS新节能标准的设计时
必须考虑到这些缺点。
首先,RCC本身并不节能,同时也没有热关断保护功能,但所有这些特性都必须添加到基
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,虽然大部分元件都非常便宜,但由于绝对数量大,所以设计和制造成
Erergy Star/CEC
a 2.7 W Cordless Phone Adapte
EPA2005,CEC2006,EU207
A 2.25 W Portable Audio Adapter
e 2.7 W Cordless Phone Adap
o 3.15 W Cordless Phone Adapter
80%t 225 Portable Audio Adapter
25.25 w Answering Mas
3.15 W Cordless Phone Adapte
e 122WUSB Hub Adaptor
5.25 W Answenng Machine Adapti
e 5w computer Die Adapter (regulate a
e 12.2 W USB Hub Adapter
yy+ o computer Drive Adapter regulated
31.5
Energy Star, CEC
20%
Nameplate Output Power (w)
Nameplate Output Power (W)
图2:各种线性也源与EPS斯芳能标塗之比较。
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
可能性也越高。首先,由于为低功率充电器和适配器分配的电路板尺寸通常都非常小,所以
往往需要使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的性能取決于难以控制的
寄生元件值与大量分立元件的组合公差之间的交互作用,在制造过程中需要持续隘控和调
整,以使收益率保持在可接受的水平。从图3的RCC电路中,可以发现许多这样的缺点
1.低效率的启动电路
典型的启动电路(图3中的R1、R2、R3和VR1)会向 MOSFET开关驱动电路提供初始工作
电流。但是,即使正常工作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(R)会使许多SMPS(并非仅RCC)无法满足EPS节能标准的空载功耗要求。当电
源工作正常后,可以添加元件来抑制电流流动,但会増加设计的元件数量、复杂度和成本
任何实用的解決方案都必须能消除启动后的损耗,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(Fsw)取決于以下诸多因素: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、电源提供的负载电流数量,以及电
源工作的环境温度。一个基本RCC的Fsw在很大程度上取決于变压器磁心中的磁通复位时
间,因此Fsw在满载时最低,在空载时最高
为满足EPS节能标准,电源的Fsw必须在负载下降时大幅降低。如某不提高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
和VR2)和一个变压器T1绕组。这种方法的不精确性可导致 MOSFET性能、电源效能发
生变化,并产生EMI。使用PNWM控制IC可以解决许多问题,同时还可减少元件数量,但
此类IC在输出功率低于10W的应用上几乎不具任何成本优势。此外,目前很少有控制IC
可以在输出负载下降时白动降低Fsw,大多数控制IC只具有在空载或接近空载时工作的突发
模式。
3. MOSFET(初级侧)的电流检测
电流检测电阻(图3中的R6)必须具有严格的公差和良好的温度稳定性,因此价格比较昂贵
除此之外,檢测电阻还能有效增加 MOSFET的 RDSON,使电源效能降低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低元件数量和成本,同时提高效能。