USB充電解決方案：高效AC適配器 - 全文

最近，人們在激烈討論如何標(biāo)準(zhǔn)化移動電話輸入，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。無獨(dú)有偶，現(xiàn)在GSM協(xié)會（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接口移動電話供電。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)者可以在無需使用眾多專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。人們對于這些改進(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。
通用串行總線（USB）充電已經(jīng)成為小型電子產(chǎn)品的一種常見供電方法。許多新型消費(fèi)類電子設(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，而大多數(shù)情況下使用的卻是非標(biāo)準(zhǔn)型連接器。隨著人們對電池充電問題關(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，各大主要移動電話充電器制造商已經(jīng)一致推行五星（空載功耗小于30 mW）充電器功耗評級制度。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。
電源架構(gòu)
考慮到功耗大小問題，圖1所示反向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其簡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 簡化反向拓?fù)?br />
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。
請注意，如果允許SR MOSFET在空載/待機(jī)狀態(tài)下開關(guān)，系統(tǒng)功耗性能可能會降低。除SR控制器IC所要求的靜態(tài)功耗以外，SR-MOSFET開關(guān)功耗會成為實(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：滿負(fù)載到空載
本文現(xiàn)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(shè)計(jì)，以及如何實(shí)現(xiàn)滿負(fù)載范圍的高系統(tǒng)效率。圖2顯示了有和沒有同步整流的一個(gè)反向轉(zhuǎn)換器的簡化系統(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輸出整流的簡化反向波形

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我們可以對反向轉(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。對于工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）下的設(shè)計(jì)來說，變壓器二次繞組的電流在一次側(cè)MOSFET開啟以前不會降至零，從而導(dǎo)致一定時(shí)間的交叉導(dǎo)電。在這類轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)同步整流后，一旦一次側(cè)開關(guān)開啟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?！熬G色整流器”的同步功能檢測到一次側(cè)導(dǎo)通躍遷后，關(guān)閉SR MOSFET。圖3描述了SR門關(guān)斷躍遷現(xiàn)在如何受到一次側(cè)同步信號的控制，而不受VDS檢測的控制。
如前所述，實(shí)現(xiàn)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(guān)和SR控制器IC偏置?！熬G色整流器”成功地解決了這些問題，方法是：（1）使用一個(gè)自動輕載檢測電路，在其導(dǎo)電時(shí)間降至某個(gè)閾值以下時(shí)關(guān)閉SR MOSFET的門開關(guān)；（2）使用EN功能，讓IC進(jìn)入睡眠模式，消除靜態(tài)功耗。輕載檢測電路對每個(gè)開關(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。訪問本文末尾的網(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)斷過渡期間檢測到的VDS振鈴引起SR偽觸發(fā)。圖4顯示了滿負(fù)載狀態(tài)下PMP4305的典型功率級波形。IC控制方案不受導(dǎo)通時(shí)VDS信號的嚴(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 滿負(fù)載波形

圖5顯示了115V和230V AC線壓狀態(tài)下SR-MOSFET和肖特基二極管輸出整流效率之間的對比情況。實(shí)現(xiàn)同步整流，可在滿負(fù)載到約25%滿負(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)效率對比圖

結(jié)論
消費(fèi)類設(shè)備USB充電解決方案正受到越來越多人的關(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)。

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