高效率的低功率充电器和适配器设计

高效率的低功率充电器和适配器设计,power supply design

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愿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、无绳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，而此类标准几乎将线性电源排除在外，因为线性电源通常无法达到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。

图1：基于线性稳压器、线性工频变压器的AC/DC电源电路。

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，所以设计和制造成本较高。

图2：各种线性电源与EPS新节能标准之比较。

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的性能取决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监控和调整，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(I²R)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，但会增加设计的元件数量、复杂度和成本。任何实用的解决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(F_SW)取决于以下诸多因素：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F_SW在很大程度上取决于变压器磁芯中的磁通复位时间，因此F_SW在满载时最低，在空载时最高。

为满足EPS节能标准，电源的F_SW必须在负载下降时大幅降低。如果不提高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PWM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自动降低F_SW,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，检测电阻还能有效增加MOSFET的R_DSON，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。

图3：采用RCC实现的5V/0.4 A/2W SMPS AC/DC电源。

4. 电压检测和反馈

电源次级侧的四个元件(图3中的R12、R13、VR3和U1-A)用于检测输出电压，并将反馈信号传递给次级侧，以便控制Q1的占空比。次级侧的元件数量已经很少了，除非降低稳压精度要求，否则无法再减少次级侧的元件数量。然而，如果要为次级侧的U1-B集电极提供支持，则需要一个二极管和RC滤波器 (D5、C6和R8)。消除这些元件可以简化次级侧PCB的走线网络。

5. 漏极节点箝位

可以在低功率SMPS中除去的最后一个元件便是漏极节点箝位(图3中的D6、C7、R9和R10)。去除箝位可以减少PCB次级侧所需的空间，并使走线布局更快、更容易。

6. 缺乏热保护

RCC本身并不具备过热保护功能，但由于大多数线性电源都具有温度保险丝(见图1)，所以该功能已成为全行业的EPS标准。增加温度传感器和关断电路只会增加RCC电源的设计时间、材料和制造成本。

基于集成的SMPS IC的解决方案

通过使用高度集成的功率转换IC，可以消除RCC电源设计和制造过程中存在的所有缺点。这个芯片集成了一个控制器、一个功率MOSFET，以及片上保护功能。这种方法可以使元件数量保持在较低水平，不仅可以降低时间、劳动和材料成本，而且还可以降低PCB布局和制造成本。实际上，高度集成的功率转换IC已经实现商业化，这使得设计出符合成本、元件数量和设计简单性的低功率SMPS成为可能。此外，基于IC的电源与线性电源或RCC相比，通常在最终用户安全性、应用可靠性和节能性能方面表现出色。

图4 是采用高度集成的功率转换IC而设计的2W SMPS的电路图。该电路的元件数量只有图3中RCC电路的元件数量的一半，从而大大简化了设计和制造工作并降低了相关成本。实际上，在对材料、设计时间、可制造性和运输物流等方面进行全面、精确的对比之后可以发现，该电路的生产成本等于或低于同等线性电源的成本。

图4：基于LinkSwitch-XT的2W CV输出电源电路图。

这个IC将一个高电压(700V)功率MOSFET和一个低压控制器集成到一个单芯片上，可减少元件数量。IC的开/关控制能进行无输出过冲快速启动，且无需控制环路频率补偿元件。控制器通过连接在漏极引脚上的内部高压电流源实现自供电，无需外部启动和偏置电源电路，这不仅进一步减少了元件数量，而且还降低了空载功耗。控制器通过跳过开关周期来调节电源的输出电压；当负载所需电流的下降，周期跳频能有效降低F_SW，从而进一步降低空载功耗并提高工作效率。

该IC 还具备内置的、自动恢复迟滞过热关断功能，在无需增加元件数量的情况下便可提高用户安全性和应用的可靠性。同样，无需添加任何其它元件，通过集成在芯片上的自动重启动功能就可防止电源出现输出短路及反馈环路开环的情况。最后，专利的芯片设计和创新的变压器绕制技术可实现漏极节点无箝位设计，以减少元件数量、设计时间及PCB布局时间。

本文小结

迄今为止，RCC始终是功率范围低于 4W的SMPS中成本最低的一种设计。然而，由于RCC对元件需求很大，存在设计和生产困难，且不做大规模重新设计就难以达到节能标准，所以它不会成为正被逐渐淘汰的线性电源的理想替代品。本文对RCC电源的各个方面进行了分析，试图寻求降低元件数量的方法。将诸多电路功能集成到一个单芯片上可能是降低元件数量的最经济的方法，同时还可使电源符合EPS节能标准。具备这些电路功能的功率转换IC现已投入市场，电源设计工程师可根据设计需要进行选择。