在USB智能手机充电应用中偏置SR控制器IC

人们对能源使用效率和节能的关注日益增强，同步整流器（SR）有助于提高将离线交流电源转换为用于USB智能手机电池充电5V电源的效率。在该转换期间，SR控制器集成电路（IC）需要适当的偏置，以便向SR MOSFET提供充足的驱动。USB应用中的偏置电压通常高于4V。由于BC1.2 USB电池充电标准规定电源适配器输出范围为4.1V至6V，因此可以从该输出偏置SR控制器IC，如图1所示。

图1：采用SR控制器偏置输出电压的反激式转换器

 

如果输出电压降到UVLO以下怎么办？

这种偏置方法简单、容易，几乎没有额外的成本。当输出电压高于4V，工作很好，但当VDD上的电压<4V时，SR控制器IC进入欠压锁定（UVLO）状态。这里的问题是，当输出降到4V以下时，SR仍然需要工作。事实上，在USB智能手机应用中输出降至3V之前，SR仍然需要工作。这是因为电池充电操作需要恒流操作，适配器保持提供恒定电流，同时其输出电压下降以帮助如动态功率管理（DPM）期间的电池充电等操作。

图2说明了典型的5V-3A电源适配器输出特性。当输出降至3V时，操作停止，因为在3V时，锂离子电池不能充电；因此，SR不需要偏置功率。事实上，当在≤3V出现高电流时，就会识别出故障。

图2：典型5V-3A电源适配器输出特性

当输出降至4V以下时，SR关闭，这将导致不良的性能。首先，由于从体二极管传导的电压增加，SR关闭导致恒定的电流偏移，引起不必要的瞬变。其次，流过SR MOSFET（QSR）沟道的电流现在流过其体二极管。产生的较高功率损耗可能导致温度升高，从而导致热失控和损坏。因此，在输出降至3V之前，需要使用其他方法来保持SR。

使用电荷泵偏置SR控制器

一种替代方案是使用电荷泵电路。图3解释了电路中电荷泵的操作。当检测到的输出电压降到4V以下，Vp引脚连接到适配器输出时，电容C2上的VDD电压通过开关S1升高到2x Vp，S2将交替接通/关断。当输出在3V和4V之间时，SR偏置电压VDD保持在6V至8V，从而实现期望的SR偏置电压。

这种方法需要额外的元件和控制功能来为S1和S2设置正确的时序。您可以将这些元件和控制功能集成到IC中，以简化应用设计，但仍需要三个专用引脚和一个电容器（C1）来实现该功能。

图3：电荷泵偏置

 

使用线性稳压器偏置SR控制器

在反激式转换器工作期间，SR MOSFET漏极引脚施加脉冲序列。在USB智能手机电源适配器设计中，脉冲幅度远高于4V。图4为可用于将线性稳压器输出调节到5V的线性稳压器，该输出连接到SR控制器VDD引脚。但是，由于必须添加四个附加元件，增加了成本和电路板空间，这种方法变得不太有吸引力。

图4：脉冲线性稳压器偏置

 

使用简单稳压器偏置SR控制器

由于其成本和复杂性，在USB智能手机充电应用中前两种方法通常不是优先选项，如UCC24636等新开发的SR控制器采用“简单调节器”组成的更简单的偏置方法，如图5所示。

图5：简单的稳压偏置

偏置VDD引脚接受4V至30V的宽电压范围——驱动器输出在内部钳位到MOSFET的栅极电压水平10V。这些特性使一个简单的稳压器（外部带有二极管和电阻）就能够在输入和负载范围内将VDD电容器充电到适当的水平。当漏极引脚电压发生脉冲时，二极管（D）对脉冲进行整流，而电阻（R）和电容器（C）使滤出脉冲，以将直流电压和功率提供给VDD。

表1为基于TI Designs的通用交流输入至5V / 3A输出参考设计的偏置结果，该参考设计采用通用离线输入以及5V-3A输出反激转换器UCC28704和UCC24636。

 

Vin	VO 条件	VCC (V)
80 - 85Vac	无负载 SR VDD	8.78
	VO = 3V SR VDD	4.57
230Vac	VO = VO (max) IOCC SR VDD	21.8
	VO = 3V SR VDD	18.2
265Vac	VO = VO (max) IOCC SR VDD	25.3

 

表1：简单稳压器偏置结果

结果描述了高于4.57V的最小控制器VDD电压，即使转换器输出下降到3V，从而保持大量的偏置电压，以保持UCC24636工作。

当将离线交流电源转换为5V以用于USB智能手机电池充电时，正确偏置时，SR控制器可以帮助提高效率。

审核编辑：郭婷