經(jīng)由初級(jí)端進(jìn)行精準(zhǔn)輸出電壓與電流調(diào)節(jié)控制的高效率充電器電源設(shè)計(jì)

1、經(jīng)由初級(jí)端進(jìn)行精準(zhǔn)輸出電壓與電流調(diào)節(jié)控制的高效率充電器電源設(shè)計(jì)近年來(lái)消費(fèi)性產(chǎn)品市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，不斷要求電源必需更“省電”和更“小型化”，于是國(guó)際組織例如“能源之星”開(kāi)頭規(guī)范對(duì)于電源設(shè)備的節(jié)能要求，尤其最需要規(guī)范的是需要恒流充電模式(constant current output regulation, cc)與恒壓充電模式(constant voltage output regulation, cv)的電池充電器，它是最常用法也最廣泛地用法在我們身邊的，應(yīng)用的范圍包括：掌上型電子式產(chǎn)品、pda、mp3播放器和數(shù)碼相機(jī)等。然而多數(shù)的充電器大多采納次級(jí)端反饋控制的方式調(diào)整輸出，這種控制的辦法并無(wú)法削

2、減組件數(shù)目，提升效率與縮小體積，而且難以降低成本，于是新架構(gòu)的初級(jí)端調(diào)整控制便衍生出來(lái)。本篇文章在探討一個(gè)專(zhuān)利技術(shù)叫做“初級(jí)端調(diào)整控制器(primary side regulation, psr)”，這種psr控制器不需要次級(jí)端的反饋線路便可在初級(jí)端精準(zhǔn)地控制充電器輸出的cv/cc，實(shí)現(xiàn)省電、高效率和低成本的電源。這種psr不僅包含了跳頻(frequency hopping)機(jī)制來(lái)降低emi，更包括了省電模式(green mode function)降低待機(jī)時(shí)的電源消耗。按照試驗(yàn)的結(jié)果，這種具有初級(jí)端調(diào)整控制的充電器相對(duì)于傳統(tǒng)采納rcc或的控制辦法，更可以達(dá)到低成本、省電和高效率的電源， 所以

3、這種psr控制辦法提供電源朝向低成本的最佳解決計(jì)劃。簡(jiǎn)介圖1為傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器的電池充電器應(yīng)用范例，它包含了次級(jí)端cv控制線路與cc控制線路，光耦合器的作用在耦合次級(jí)端的控制信號(hào)到初級(jí)端的pwm控制器，pwm控制器會(huì)按照次級(jí)端的控制信號(hào)調(diào)節(jié) 的開(kāi)關(guān)周期大小，達(dá)到隨次級(jí)端負(fù)載轉(zhuǎn)變時(shí)仍然可以穩(wěn)定輸出負(fù)載所需的與。這種控制辦法的缺點(diǎn)在于需要有較多的次級(jí)端控制組件，而這意味著必需有較多的板空間與較高的成本；除此之外，光耦合器有可能造成漏電的潛在危急，并且二次端偵測(cè)輸出電流的ro將增強(qiáng)功率的損耗而降低整體電源的效率。圖1.傳統(tǒng)采納次級(jí)端控制線路的返馳式轉(zhuǎn)換器初級(jí)端調(diào)整控制的基本概念圖2為采納初級(jí)端調(diào)整控

4、制的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)范例。psr控制器為了獲得次級(jí)端輸出電壓的信息，采納獨(dú)特的方式偵測(cè)輔助繞組上的波形，以獲得次級(jí)端的輸出信息舉行反饋控制。圖3所示為主要的工作波形。圖2.采納psr控制的返馳式轉(zhuǎn)換器對(duì)于采納psr控制器的反激式(flyback)轉(zhuǎn)換器工作于不延續(xù)導(dǎo)通模式之下會(huì)獲得較好的輸出調(diào)整能力。因此轉(zhuǎn)換器的工作原理如下:·當(dāng)psr內(nèi)部的mosfet導(dǎo)通時(shí)ton，輸入端電壓vin會(huì)建立在變壓器的兩端，因此變壓器初級(jí)端的電流ip將會(huì)由零線性地升高到ipk.；所以ipk.可以由式(1)推導(dǎo)出。在這段期間，輸入端的能量會(huì)儲(chǔ)存在變壓器中。·當(dāng)mosfet截止時(shí)toff，原本存儲(chǔ)

5、在變壓器的能量會(huì)使次級(jí)端的導(dǎo)通，將能量傳給負(fù)載端。在這段期間，輸出端的電壓與次級(jí)端二極管的順向?qū)妷簩?huì)反射到輔助繞組，因此可將輔助繞組電壓vaux表示為式(2)。此時(shí)psr內(nèi)部的采樣機(jī)制將會(huì)采樣輔助繞組上的電壓，而輸出電壓的信息將會(huì)隨次級(jí)端電流削減而得知。psr取得輸出電壓的信息后會(huì)與內(nèi)部參考電壓vref比較，形成一個(gè)電壓回路控制mosfet的導(dǎo)通時(shí)光以穩(wěn)定恒定的輸出電壓。·當(dāng)次級(jí)端的輸出二極管上的電流削減為零時(shí)，此時(shí)輔助繞組上的電壓會(huì)由于變壓器的與mosfet上輸出coss產(chǎn)生諧振，直到mosfet再次導(dǎo)通。(1)(2)其中l(wèi)p為變壓器初級(jí)端的感量；ton為mosfet的導(dǎo)通時(shí)

6、光；naux/ns為變壓器輔助繞組與次級(jí)端繞組的圈數(shù)比；vo為輸出電壓；vf為次級(jí)端輸出二極管的正向?qū)妷?。這個(gè)采樣的方式同樣可以取得變壓器的放電時(shí)光tdis，3所示，次級(jí)端輸出二極管上的電流平均值會(huì)等于輸出電流io，因此輸出電流io可以藉由ipk與tdis表示為式(3)。(3)其中ts為psr控制器的開(kāi)關(guān)周期；np/ns為初級(jí)端與次級(jí)端的圈數(shù)比；rsense為初級(jí)端電流取樣電阻。實(shí)際實(shí)現(xiàn)一個(gè)5w的充電器，輸出規(guī)格的定義為5v/1a?？刂破鞑杉{fsez1216，這個(gè)psr控制器集成了600v的高壓mosfet，因此可以削減驅(qū)動(dòng)mosfet的線路與pcb走線的干擾。而為了要降低待機(jī)損耗，psr

7、控制器內(nèi)部的省電模式將會(huì)在輕載時(shí)線性地降低pwm的頻率，達(dá)到目前電源規(guī)范省電的需求；跳頻機(jī)制提升emi的效能，同時(shí)充電器的輸出電壓會(huì)因配備較長(zhǎng)的輸出纜線而導(dǎo)致輸出電壓降低，也可利用內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制提升輸出電壓的調(diào)整能力。4至7為試驗(yàn)結(jié)果，從圖4的輸出電壓電流曲線中，可以獲得在通用溝通電壓的輸入之下輸出端的恒定電壓調(diào)整率可以達(dá)到正負(fù)2.88%；而當(dāng)返回電壓(fold-back voltage)為1.5v時(shí)，輸出端的恒定電流調(diào)整率可以達(dá)到正負(fù)1.75%，其中在恒電流的范圍中的輸出電壓是藉由5v"28v vdd的電壓控制且在輸出電壓越來(lái)越低時(shí)仍然可以穩(wěn)定恒定輸出電流。5所示，平均效率可以達(dá)到7

8、2.3%115v與71.5%230v，可以輕易符合“能源之星”2.0等級(jí)五的能源規(guī)范(規(guī)范為68.17%的平均效率)。因?yàn)閜wm的切換頻率加入了跳頻機(jī)制，因此可以將單一頻率的能量打散為多個(gè)微調(diào)頻率的能量提升整體的emi能力，6所示可以符合en55022等級(jí)b的emi規(guī)范。圖4.5w充電器采納psr控制的輸出電壓/電流曲線圖5.5w充電器采納psr控制在不同輸出負(fù)載時(shí)的效率圖6.5w充電器采納psr控制在不同輸入電壓時(shí)的待機(jī)損耗圖7.5w充電器采納psr控制在230v/50hz最大輸出瓦數(shù)時(shí)的emi總結(jié)隨著全球關(guān)注綠色能源的開(kāi)發(fā)，電源的效率也逐漸獲得重視，具有控制的電源ic飾演一個(gè)提升效率的重要角色，藉由電源ic嶄新的控制技術(shù)使電源能節(jié)約整體的成本、降低不須要的切換損失與提升emi的能力，以達(dá)到“輕薄短小”的目標(biāo)。本篇文章講述一個(gè)具有嶄新初級(jí)端調(diào)整控制技術(shù)的應(yīng)用在電池充電器上所呈現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，此