2.75W低成本USB充电器/适配器的设计与制作

设计特色
　　
　　·采用革新性控制概念，能够实现元件数量少、成本极低的解决方案
　　·初级侧控制省去了次级侧控制器和光耦器
　　·恒压(CV)精度：±5%
　　·恒流(CC)精度：±10%
　　·带迟滞恢复的过热保护功能可确保PCB温度在所有条件下均处于安全范围内
　　·自动重启动：输出短路和开环保护

　　极高能效
　　
　　·整个负载范围内的平均效率：74%（能源之星2.0要求为64%）
　　·空载输入能耗：在230 VAC输入情况下小于40 mW
轻松满足以下标准要求：
　　·EN55022和CISPR-22 B级传导EMI要求（EMI裕量>10 dBμV）
　　·IEC 61000-4-5 3级AC电涌和ESD承受力
　　·满足<5 mA的电池放电要求
　　
　　工作原理

　　图1所示为2.75 W恒压／恒流(CV/CC)通用输入充电器电源的电路图，该设计采用了Power Integrations的LinkSwitch系列产品LNK613DG。这种设计非常适合手机或类似的USB充电器应用，包括手机电池充电器、USB充电器或任何有恒压／恒流特性要求的应用。

图 1. 2.75 W恒压／恒流通用输入充电器电源的电路图

　　在本设计中，二极管D1至D4对AC输入进行整流，电容C1和C2对DC进行滤波。L1、C1和C2组成一个π型滤波器，对差模传导EMI噪声进行衰减。这些与Power Integrations的变压器E-sheild™技术相结合，使本设计能以充足的裕量轻松满足EN55022 B级传导EMI要求，且无需Y电容。防火、可熔、绕线式电阻RF1提供严重故障保护，并可限制启动期间产生的浪涌电流。

　　图1显示U1通过可选偏置电源实现供电，这样可以将空载功耗降低到40 mW以下。旁路电容C4的值决定电缆压降补偿的数量。1μF的值对应于对一条0.3 Ω、24 AWG USB输出电缆的补偿。（10 μF电容对0.49 Ω、26 AWG USB输出电缆进行补偿。）

　　在恒压阶段，输出电压通过开关控制进行调节。输出电压通过跳过开关周期得以维持。通过调整使能与禁止周期的比例，可以维持稳压。这也可以使转换器的效率在整个负载范围内得到优化。轻载（涓流充电）条件下，还会降低电流限流点以减小变压器磁通密度，进而降低音频噪音和开关损耗。随着负载电流的增大，电流限流点也将升高，跳过的周期也越来越少。

　　当不再跳过任何开关周期时（达到最大功率点），LinkSwitch-II内的控制器将切换到恒流模式。需要进一步提高负载电流时，输出电压将会随之下降。输出电压的下降反映在FB引脚电压上。作为对FB引脚电压下降的响应，开关频率将线性下降，从而实现恒流输出。

　　D5、R2、R3和C3组成RCD-R箝位电路，用于限制漏感引起的漏极电压尖峰。电阻R3拥有相对较大的值，用于避免漏感引起的漏极电压波形振荡，这样可以防止关断期间的过度振荡，从而降低传导EMI。

　　二极管D7对次级进行整流，C7对其进行滤波。C6和R7可以共同限制D7上的瞬态电压尖峰，并降低传导及辐射EMI。电阻R8和齐纳二极管VR1形成一个输出假负载，可以确保空载时的输出电压处于可接受的限制范围内，并确保充电器从AC市电断开时电池不会完全放电。反馈电阻R5和R6设定最大工作频率与恒压阶段的输出电压。

　　设计要点

　　选择电容C7作为低ESR型电容，可以满足输出电压纹波要求，而无需使用后级LC滤波器。

　　如果可以接受较低的平均效率（降低3%到4%），则用PN结型二极管来替代D7，这样可降低成本。然后根据需要重新调节R5和R6，确保输出电压保持基本恒定。

　　在PCB板上，将旁路引脚电容(C4)靠近U1放置。

　　减小箝位和输出二极管的环路面积，以降低EMI。

　　使AC输入和开关节点保持一定距离，降低可能会绕开输入滤波的噪声耦合。

　　U1上高压引脚与低压引脚之间的爬电距离非常大，可以避免产生电弧并提高可靠性，这在非常潮湿的条件下特别重要。

　　R5和R6应使用容差为1%的电阻，这样可以提高电压和电流调节的准确度。

图 2. 25 °C情况下随输入电压变化的典型恒流／恒压特性曲线

图 3. EN55022 B标准的传导EMI结果。测量电压为230 VAC，输出RTN连接到接地端

表 1. 变压器参数。（AWG = 美国线规，TIW = 三层绝缘线，NC = 无连接）