小型高功率電源適配器設(shè)計方案

電源適配器生產(chǎn)廠家移動設(shè)備制造商正不時增加電池容量來適應(yīng)移動設(shè)備不時增加的社交網(wǎng)絡(luò)、視頻流、游戲、超高清屏幕和其他高耗電的應(yīng)用。這些大容量電池需要功率更高的電源適配器，來確保充電時間不會增加。而制造商并不愿意為其新智能手機和平板電腦配備尺寸更大的適配器來提供更高的功率，所以適配器只能在現(xiàn)有尺寸基礎(chǔ)上支持更高的功率。這就需要采用更小的元件以及具有更高的轉(zhuǎn)換效率，才干確保電源適配器外殼溫度不會超出制造商的要求。

另外，將于2016年生效的新外置電源規(guī)范，將使現(xiàn)有的一般用于電源適配器的非同步整流反激（flyback變換拓?fù)鋷缀醪豢赡軡M足低的效率要求。同步整流技術(shù)可以提高效率，使電源適配器能夠滿足這些新規(guī)范的要求，并堅持外殼溫度不上升，但如果考慮不周，本錢和尺寸有可能增加到不可接受的水平。所以我需要新技術(shù)來提高效率，同時又能將元件數(shù)量控制在少水平，從而不增加電源適配器的本錢和尺寸。

圖1.具有非同步整流輸出A和同步整流輸出B反激轉(zhuǎn)換器簡化電路

便攜式電源適配器把輸入線路電壓（90Vac-265Vac降至適合便利式設(shè)備需要的電壓。實現(xiàn)該功能經(jīng)濟(jì)有效的離線轉(zhuǎn)換拓?fù)涫且环N簡單的非同步反激（flyback轉(zhuǎn)換器，可以提供足夠高的效率來滿足現(xiàn)行電源規(guī)范的要求。如果把相同的非同步反激轉(zhuǎn)換器拓?fù)溆糜跒榇笕萘侩姵爻潆姷母吖β拭芏鹊男滦捅銛y式電源適配器，其損耗及散熱需要會高很多，從而導(dǎo)致外殼溫度達(dá)到無法接受的水平。同時，隨著外置電源規(guī)范對低效率的要求變嚴(yán)格，非同步方案達(dá)到實際極限而無法完成該低效率目標(biāo)(1

目前市場上的典型10W5V2A 輸出功率便攜式電源適配器的平均轉(zhuǎn)換效率在75-80%能夠符合先行的電源規(guī)范，并使峰值負(fù)荷條件下的功率損耗在2-2.5W范圍之內(nèi)。這些電源適配器中使用的非同步整流反激拓?fù)湔＿\行時電源適配器肯定會發(fā)熱，但保持在可控范圍內(nèi)。而在功率達(dá)到15W時，同樣的80%效率會多產(chǎn)生50%功率損耗，嚴(yán)重增加電源適配器外殼的溫度。將于2016年生效的新規(guī)范要求低效率>84%這個目標(biāo)對于規(guī)范反激轉(zhuǎn)換器來說非常困難。如果在二次側(cè)使用同步整流技術(shù)，可使效率提高到低要求水平以上，并使電源適配器外殼溫度堅持在可控范圍內(nèi)。

為更好地說明這一點，對低正向電壓降二極管與同步整流器（SRMOSFET功率損耗進(jìn)行了快速分析，結(jié)果顯示二者的功率損耗存在明顯差別。圖1顯示了一種在二次側(cè)采用整流二極管vs采用同步整流的簡單反激轉(zhuǎn)換器電路比較。非同步整流變換的功率損耗分析相對簡單。二極管的正向電壓和流經(jīng)二極管的平均電流決定了整流管的絕大部分功率損耗。而同步整流電路中的MOSFET損耗較為復(fù)雜。圖2顯示了采用整流二極管和同步整流MOSFET功率損耗差別。當(dāng)使用同步MOSFET時，總功率損耗由導(dǎo)通損耗、柵極驅(qū)動損耗、體二極管損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成。導(dǎo)通損耗取決于同步MOSFET導(dǎo)通電阻，柵極損耗主要取決于MOSFET寄生特征和開關(guān)頻率，開關(guān)損耗取決于多種因素，但重要的MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷的時間。

電源適配器生產(chǎn)廠家，還有一個體二極管（BD項，其在電流斷續(xù)模式（DCM中有兩個損耗項。項是從一次側(cè)主開關(guān)關(guān)斷到SRFET開通前的時間內(nèi)，變壓器二次側(cè)電路中剛開始流過SRFET體二極管的電流。第二項是從二次側(cè)同步整流器控制器關(guān)斷后到二次側(cè)電路放電至零的時間內(nèi)的流過SRFET電流。有些實現(xiàn)方式中，該死區(qū)時間可能發(fā)生相當(dāng)大的功率損耗。普通的自驅(qū)動式（沒有來自一次側(cè)的直接控制的二次側(cè)轉(zhuǎn)換器，依靠簡單的控制技術(shù)和SRFET特征來決定何時關(guān)斷SRFET經(jīng)常提前關(guān)斷了二次側(cè)SRFET死區(qū)時間里，二次側(cè)電流繼續(xù)流動，但卻是流經(jīng)MOSFET體二極管，而非MOSFET自身。由于體二極管的正向壓降遠(yuǎn)高于規(guī)范二極管的正向電壓，達(dá)1V左右，即使每個周期的死區(qū)時間很短暫，各項損耗加起來也占到輸出功率的很大比例。解決該問題的常見方法是SRMOSFET上并聯(lián)一個肖特基二極管（圖1輸出B元件3來減小該死區(qū)時間內(nèi)的正向電壓降，進(jìn)而減小功率損耗。

圖2顯示了非同步整流和同步整流方案的功率損耗比擬。同步整流方案有兩個功率損耗曲線，一個采用規(guī)范時序控制的同步MOSFET體二極管，另一個使用了并聯(lián)肖特基二極管。同步整流方案的功耗節(jié)省很明顯，不過對設(shè)計尺寸和成本的增加也是顯而易見的

一種替代方案是使用智能數(shù)字控制來檢測二次側(cè)同步整流MOSFET漏極和源極電壓來控制SRFET關(guān)斷，從而將死區(qū)時間降到短，實現(xiàn)體二極管損耗小化。來自Dialog半導(dǎo)體公司的iW671二次側(cè)同步整流控制器，集成了數(shù)字自適應(yīng)關(guān)斷控制電路，可密切監(jiān)測MOSFET漏極-源極電壓，當(dāng)電壓接近需要關(guān)斷SRFET閾值時，控制器會及時關(guān)斷SRFET并確保SRFET堅持關(guān)斷狀態(tài)，而不會響應(yīng)在FET上的可能發(fā)生的高壓振鈴。這一自適應(yīng)關(guān)斷控制可將死區(qū)時間限制到50納秒內(nèi)，從而消除了并聯(lián)肖特基二極管的需要。這在堅持高效率優(yōu)勢的同時，將本錢和尺寸降到低。該技術(shù)的自適應(yīng)特點有助于它與各種類型的MOSFET一起使用，不需要為降低體二極管壓降功率損耗而去選擇特定的MOSFET圖3顯示了iW671將體二極管損耗降到達(dá)到使用并聯(lián)肖特基二極管的效果，因此不需要增加額外的元件。

圖3.二次側(cè)同步整流MOSFET各個功率損耗項

iW671集成的數(shù)字技術(shù)的一個重要優(yōu)勢是能夠在低壓條件下正常工作。這對恒壓恒流便攜式電源適配器很重要。大多數(shù)二次側(cè)控制器由于依賴于轉(zhuǎn)換器的輸出供電，因此只能在相當(dāng)高的輸出電壓下工作，而限制了轉(zhuǎn)換器在便攜式電源適配器中的有效應(yīng)用。iW671集成了脈沖型線性穩(wěn)壓器電路，允許器件直接從二次電路的未整流輸出獲得電力供應(yīng)，檢測峰值電壓以及開通SR電路，從而在低至2V輸出電壓下也能正常工作。該特性支持CC-CV便攜式電源適配器電路中的正常運行，而無需任何附加元件。

通過使用iW671控制芯片，設(shè)計工程師能夠設(shè)計出效率接近90%便攜式電源適配器。圖4顯示了使用Qualcomm?QuickCharge?2.0技術(shù)為大容量電池快速充電的智能手機便攜式電源適配器的典型應(yīng)用原理圖。

圖4.非同步整流Qualcomm?QuickCharge?2.0ClassA技術(shù)充電器

這種QuickChargClassA設(shè)計提供5V9V和12V三種輸出電壓，大輸出功率為15W輸出電壓配置為5V時的平均效率為81%通過增加iW671二次側(cè)同步整流器控制（圖55V時的平均效率可增加至86%比非同步整流方案增加了5%

圖5.具有二次側(cè)同步整流的Qualcomm?QuickCharge?2.0ClassA技術(shù)電源適配器

效率得到明顯提高，足以滿足將于2016年生效的DoElevelVI外置電源規(guī)范和第5版歐盟行為準(zhǔn)則（EUCodeofConducttier2自愿規(guī)范的要求。通過增加效率而減少散熱，熱管理變得更加容易。假設(shè)電源適配器的實體尺寸相似，則86%效率的解決方案的外殼溫度將更低，并使關(guān)鍵元件堅持更低溫度。實際工作條件下進(jìn)行的典型測試顯示，如果將圖4中的電路改為同步方案可以使外殼溫度下降8oC丈量結(jié)果還顯示電路板上關(guān)鍵元件的峰值溫度差高達(dá)12oC實現(xiàn)了溫度的顯著下降。

便利式電子設(shè)備電源適配器的反激轉(zhuǎn)換拓?fù)涞亩蝹?cè)使用智能數(shù)字同步整流控制技術(shù)，能夠協(xié)助設(shè)計出符合電源規(guī)范要求的解決方案，降低適配器外殼溫度。這都是消除對二次側(cè)并聯(lián)肖特基二極管的需要的基礎(chǔ)上，使物料本錢低并使電源適配器外殼尺寸實現(xiàn)小化。

ScottBrown– Dialog半導(dǎo)體公司電源轉(zhuǎn)換事業(yè)部高級營銷總監(jiān)

ScottBrown于2013年7月在Dialog半導(dǎo)體公司收購iWatt時隨之加入Dialog2011年10月加入iWatt模擬半導(dǎo)體行業(yè)有20多年從業(yè)經(jīng)驗。從親力親為的戰(zhàn)術(shù)營銷到高級營銷戰(zhàn)略籌劃，Scott所有形式的半導(dǎo)體營銷領(lǐng)域擁有廣泛經(jīng)驗。另外他還在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)和職能管理方面有多年經(jīng)驗。Scott電源管理市場擁有豐富的經(jīng)驗和深厚知識。加入iWatt前，Scott曾在美國半導(dǎo)體公司、麥瑞（Micrel安美森半導(dǎo)體公司和CatalystSemiconductor擔(dān)任過多項營銷和管理職務(wù)。

電源適配器生產(chǎn)廠家擁有英國布魯內(nèi)爾大學(xué)的電氣電子工程學(xué)士學(xué)位。

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