USB充电解决方案：高效AC适配器

通用串行总线（USB）充电已经成为小型电子产品的一种常见供电方法。许多新型消费类电子设备（例如：智能手机、平板电脑、电子阅读器等）的AC电源适配器/电池充电器的功率范围均为5到25W，并且都有一个USB标准A接口。5V适配器输出电压已经成为兼容PC/桌面端口充电和通信的首选。目前主流的连接方法是使用一条标准（mini或者Micro-B）USB线，而大多数情况下使用的却是非标准型连接器。随着人们对电池充电问题关注度的提高，老式的“块儿砖式适配器”正变身为一种外形“酷”、重量轻、设计时尚并且安全绿色的充电器。除满足标准调节要求外，原始设备制造商还在不断打破适配器效率和空载功耗（待机功耗）方面的性能局限性。例如，各大主要移动电话充电器制造商已经一致推行五星（空载功耗小于30 mW）充电器功耗评级制度。这让广大消费者可以更加容易地比较和选择那些能效高的充电器。
 
最近，人们在激烈讨论如何标准化移动电话输入，以及如何生产出一种能为所有手机充电的通用充电器。2006年，中国发布了一项新规定，旨在标准化墙上充电器及其连接线。无独有偶，现在GSM协会（GSMA）也正领导制定“通用充电解决方案”适配器计划，其目标是用micro USB接口移动电话供电。普通充电器要求提供5V±5%的电压，最小电流为850 mA，空载功耗小于150 mW。另外，它还必须符合USB设计论坛（USB-IF）电池充电规范1.1（BC1.1）。*除便于消费者使用以外，标准化充电器还可减少大量的多余充电器。另外，带有多个USB插孔的AC适配器，让消费者可以在无需使用众多专用充电器的情况下方便地为多种电子设备充电。一些高输出电流充电器还允许进行快速电池充电。相比限制电流500mA的标准USB 2.0端口，这是一个重要优势。人们对于这些改进性能的需求日益增加，同时适配器设计也越来越小型化，这些都让这种“黑匣子”中的热管理成为摆在广大电源设计者面前的一道巨大难题。
 
电源架构
考虑到功耗大小问题，图1所示反向拓扑结构因其简单性和低成本成为我们的首选。二次侧肖特基二极管整流器（图1a）的传导损耗，成为实现高效率、紧凑型适配设计的一个限制因素。例如，在一个典型5-V/3-A适配器中，满负载条件下二极管整流器本身的功率损耗便可达到总系统损耗的30%到40%（忽略二次损耗对高一次侧损耗的综合影响）。为输出（图1b）安装一个同步整流器（SR），可以提高转换器的总效率，并且由于产生的热量更少（适配器设计中至关重要），因此系统热管理更加容易。
 
 
图 1 简化反向拓扑

*USB-IF BC1.2将充电电流范围从1.5A扩展至5A。
 
给经典反向拓扑增加一个SR并不复杂，但却可以大大降低总系统功耗。这种方法可有效改变功耗电平，功耗随着MOSFET技术的快速发展而不断降低。因此，同步整流现在适用于种类繁多的各种产品。SR的低功耗特性让设计人员可以使用一些体积更小的组件。这些组件拥有更少的散热组件，从而实现降低组装成本、产品尺寸和包装重量的同时提高功率密度。
 
请注意，如果允许SR MOSFET在空载/待机状态下开关，系统功耗性能可能会降低。除SR控制器IC所要求的静态功耗以外，SR-MOSFET开关功耗会成为实现最佳可行系统空载性能的限制因素。
 
绿色输出整流：满负载到空载
本文现在将为您介绍如 TI UCC24610^TM绿色整流器控制器等IC如何简化USB充电器设计，以及如何实现满负载范围的高系统效率。图2显示了有和没有同步整流的一个反向转换器的简化系统波形。这些波形是某个控制方案所产生的结果，其直接检测MOSFET漏极到源极电压（V_DS）。相比其他实现方法，例如：一次侧同步或者使用二次侧电流变压器实现的同步控制，这种控制方法在今天获得了广泛的使用。这种控制方案中，需让SR控制器的关闭阈值尽可能地接近零，从而实现MOSFET通道的最大传导时间。
 
图 2 使用肖特基二极管和SR-MOSFET输出整流的简化反向波形

我们可以对反向转换器进行设计，让它可以根据终端应用要求工作在不同模式下。对于工作在连续导电模式（CCM）下的设计来说，变压器二次绕组的电流在一次侧MOSFET开启以前不会降至零，从而导致一定时间的交叉导电。在这类转换器中实现同步整流后，一旦一次侧开关开启SR MOSFET马上就要关闭，这点极为重要。这样可以防止出现反向导电，并控制额外功耗和器件应力。“绿色整流器”的同步功能检测到一次侧导通跃迁后，关闭SR MOSFET。图3描述了SR门关断跃迁现在如何受到一次侧同步信号的控制，而不受V_DS检测的控制。
如前所述，实现同步整流可能会降低轻载效率和空载功耗。轻载或者空载功耗的主要原因是SR-MOSFET开关和SR控制器IC偏置。“绿色整流器”成功地解决了这些问题，方法是：（1）使用一个自动轻载检测电路，在其导电时间降至某个阈值以下时关闭SR MOSFET的门开关；（2）使用EN功能，让IC进入睡眠模式，消除静态功耗。轻载检测电路对每个开关周期的SR导电时间和设定最小“导通”时间（MOT）进行比较。当负载降低时，二次导电时间短于MOT，且下一个SR门脉冲失效。利用控制器IC的EN功能，可实现进一步降低空载功耗。我们可以使用一种MOSFET漏极电压的简易均衡电路，空载状态下让IC进入睡眠模式，从而将IC的偏置电流消耗限制在100 µA。利用这种方法，可以再降低10mW的空载功耗。提高空载性能的最后一步是添加一个低电流肖特基二极管，并与SR MOSFET并联在一起。
 
图 3 一次侧同步的典型 CCM 反向波形

 
例如，我们使用两个控制器芯片组（TI UCC28610和UCC24610），为平板电脑终端应用设计一种3A额定电流的USB充电器。访问本文末尾的网站地址，可以查看到这种充电器的参考设计（PMP4305）。UCC24610非常适合于那些使用5-V反向开关模式电源的应用，并且可以工作在4.75到5.25 V规定USB电压范围内。因此，这种SR控制器直接偏置于转换器输出，无需在主电源变压器上安装辅助绕组。这种控制器还允许使用两个消隐计时器的外部编程，防止导通和关断过渡期间检测到的V_DS振铃引起SR伪触发。图4显示了满负载状态下PMP4305的典型功率级波形。IC控制方案不受导通时V_DS信号的严重振铃所影响，因为可编程MOT计时器在此期间禁用了V_THOFF比较器。
 
图 4 PMP4305 满负载波形

 
图5显示了115V和230V AC线压状态下SR-MOSFET和肖特基二极管输出整流效率之间的对比情况。实现同步整流，可在满负载到约25%满负载范围内实现80%以上的效率。另外，在这一负载范围内，通过肖特基二极管整流可实现3到5个百分点的效率提高。
 
图 5 肖特基二极管与同步整流（SR）系统效率对比图

 
结论
消费类设备USB充电解决方案正受到越来越多人的关注。拥有多个USB接口的10W到25W充电器通用标准，可为多种设备供电，无需为每一种新的电子设备都配备一个新的墙上充电器。我们需要使用一些高效率的AC/DC转换器，才能满足高密度小型适配不断发展的需求。如UCC24610“绿色整流器”等器件，可以帮助提高AC/DC转换器效率，并实现高密度USB充电器设计。