同時滿足能源之星和EMI要求的高效率充電適配器設計解決方案

充電器和外部電源所消耗的總電量在住宅總用電量中占有很大的比重，這個問題已經引起了世界上各監管的注意。許多國家的全國性標準都是參照美國的能源之星規范建立起來的。能源之星外部電源2.0版(Energy Star EPSV2.0)規范根據輸出功率的不同為要求的效率設定了滑動標準。對于5W充電器而言，其效率必須高于68%。滿足這一限值可并非易事，這將會使如今市場上的大部分充電器被迫重新設計，或者停止銷售。

手機制造商們也主張提高能效要求，因為降低能耗可以作為衡量企業勇于承擔社會責任和吸引有環保意識的消費者的一種手段。在2008年年底，世界五大手機制造商(諾基亞、三星、索尼愛立信、摩托羅拉和LG)聯合制定了手機充電器星級分級制度。為達到嚴格的五星級標準，充電器在空載模式下的功耗將不得超過0.03W(30mW),這一數字僅為當前正在實施的能源之星EPS規范2.0版所規定限值的十分之一。

Power Integrations(PI)作為集成電路生產商，致力于幫助電源設計師達到這些嚴格的規范要求。該公司開發出了一款5V 5W反激式充電器/適配器電路(詳見《參考設計DI-158》)，其整個負載范圍內的平均效率可達74%，比能源之星EPS 2.0版的要求高出6%。圖1為能源之星對59款不同型號的外部電源進行測試的結果。無需增加設計復雜度，DI-158便可獲得極高的性能，并能在生產環境中重復制造。

圖2是一款5W通用輸入恒壓/恒流(CV/CC)充電器/適配器的電路設計圖。本設計適用于手機電池充電器、USB充電器或任何有恒壓/恒流特性要求的應用。該電路可為最高1A的負載提供5V恒流輸出，精度為±5%。當需要更大負載時，電源將進入恒流模式，輸出電壓降低，使輸出電流維持在1A±10%。

圖2： 5W CV/CC通用輸入充電器電源電路圖。

這個電源電路是采用PI的LinkSwitch-II系列產品LNK616PG(U1)而設計的反激式電源。它不是傳統的PWM控制器，而是采用開/關控制來維持恒壓(CV)階段的穩壓。它通過跳過開關周期來維持輸出功率水平，并通過調節使能與禁止開關周期的比值和初級限流點來維持穩壓。這種控制方法在充電器設計中具有諸多獨特優勢。隨著負載電流的增大，電流限流點也將升高，跳過的周期也越來越少，達到最大輸出功率點時將不再跳過任何開關周期。當需要進一步提高功率時，輸出電壓會隨之下降。控制器檢測到壓降后進入恒流模式。 在此模式下，隨著電流需求的增大，開關頻率將下降，從而實現線性恒流(CC)輸出。圖3給出了該電路的電流及電壓性能。

本設計中有幾大要素可以實現高效率和低成本。變壓器T1是其中的一個關鍵要素，其設計主要由U1中開關元件的性能來決定。LinkSwitch-II器件集成了700V功率MOSFET用作主要開關元件，這樣可以使工作頻率高達85kHz，幾乎是具有競爭性的BJT設計最高工作頻率45kHz的兩倍。頻率越高，就越容易減小變壓器尺寸及其層數，從而降低變壓器中的電容開關損耗。為降低變壓器可能會產生的音頻噪音，控制最大磁通密度非常必要。在每個周期開始時，U1中的MOSFET導通，流經T1初級繞組的電流則增大至LinkSwitch-II控制電路所允許的最大值。達到此值后，MOSFET關斷，儲存在T1中的能量會在磁場下降時轉移至次級繞組。輕載條件下，初級限流點下降，從而降低變壓器磁通密度。通過限流點控制、調整使能與禁止開關周期的比值并根據輸出負載情況減低開關損耗，可以優化轉換器在整個負載范圍內的效率。