能夠滿足 30mW 待機功耗要求的實用手機充電器解決方案

做一個簡單的數(shù)學(xué)計算，就很容易理解為什么政府機構(gòu)和手機制造商突然積極致力降低手機充電器的待機功耗了：全球手機用戶超過40億，而其中大多數(shù)用戶都習(xí)慣于即使在電池完全充滿并拔掉手機之后，仍然讓自己的充電器保持連接狀態(tài)，因而會繼續(xù)耗電。根據(jù)諾基亞的統(tǒng)計，移動設(shè)備使用期間用電量的三分之二是在空載模式下消耗的。

降低溫室效應(yīng)氣體排放量和化石燃料消耗量無疑對我們所有人都十分重要，但除此之外，手機充電器解決方案還必須具有切實的優(yōu)勢，例如合理的成本、易于實現(xiàn)和確定的可靠性。在這方面，飛兆半導(dǎo)體公司為設(shè)計人員提供了相關(guān)IC，這些產(chǎn)品利用該公司在集成和封裝領(lǐng)域的專業(yè)能力，在單一器件上整合了一個PWM控制器、一個MOSFET(如果需要)和多項保護功能，能夠幫助制造商達到空載功耗不到30mW的5星級水平(只有業(yè)界平均功耗300mW的十分之一)以及±5%的輸出CV/CC容限，并且無須次級端控制電路。

嚴格的空載容限
現(xiàn)在的手機用戶要求繁多，包括大尺寸的觸摸屏、數(shù)百萬像素的相機、藍牙及802.11 WiFi連接、全面的網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電郵和數(shù)據(jù)庫訪問、GPS導(dǎo)航、音樂及視頻下載，以及即將實現(xiàn)的移動數(shù)字電視。所有這些熱門功能都需要使用電能。手機是經(jīng)由電池供電的，而電池可通過各種不同的電源進行充電，如汽車上的點煙器(電源轉(zhuǎn)換器)、商業(yè)飛機座椅上的電源插座，還有筆記本電腦或臺式機上的USB端口。

當(dāng)然，最普遍的充電電源還是壁式AC電源插座和通常被稱為手機充電器的外置AC/DC適配器，然而，這類設(shè)備大多數(shù)都不是真正的充電器。充電電路其實位于手機內(nèi)部。

手機充電時平均僅需要2W的功率，而筆記本電腦需要近100W，這也是手機充電器比筆記本電腦充電器小得多的原因。盡管如此，由于全球手機用戶多達40億，而PC擁有者只有10億，故降低用戶熟知情況中的待機功耗，即工程師熟知條件下的空載功耗，已成為當(dāng)前的一項關(guān)鍵設(shè)計考慮事項。

這些關(guān)注的結(jié)果是采取一系列措施來提升效率和降低空載功耗的需求。其中最新最嚴格的是由全球前五大手機廠商提出的一項自愿性的充電器星級制協(xié)定，用以標志在充電完成之后，充電器仍插在壁式插座上時的耗能量。該星級制從0星級開始，最高5星級?？蛰d下額定待機功耗大于0.5W的充電器為0星級標簽，待機功耗小于0.03W(30mW)的為5星級(見表1)。通過比較，大多數(shù)現(xiàn)有手機的待機功耗在150～300mW范圍。

這一點十分重要，有必要再次重申：要想獲得5星級標簽，充電器必須達到30mW或更低的空載功耗(見表1)，這比能源之星(level V)的閾值低90%。

嚴格的CV/CC容限為什么重要
目前，小型便攜式設(shè)備的電池都選擇鋰離子技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于其尺寸小、能量密度大、自放電小，而且在尺寸和形狀方面具有極大的靈活性。鋰離子電池一般適用于恒流/恒壓(CC/CV)充電方式；每種充電模式的時間長短取決于電池的容量和充電器的性能。

在最基本的形式下，即電池電壓很低時，充電器進入恒流(CC)充電模式；這時大部分充電能量都傳送給電池。一旦電池充電充到浮動電壓(電池斷開，零電流時，電池電壓通常在4.2V左右)，系統(tǒng)將開始減小充電電流，以保持所需的電壓——此所謂“恒壓”模式。

雖然實現(xiàn)起來比較簡單，但給手機充電實際上需要對浮動電壓區(qū)進行精確的控制，才能獲得最大電池容量，并延長電池使用時間。不精確的電池電壓調(diào)節(jié)可能會使電池充電不足，導(dǎo)致電池容量大幅度減小。另一方面，如果充電電壓過高，電池的循環(huán)壽命會大大縮短。鋰離子電池的過度充電還可能造成設(shè)備的災(zāi)難性故障。

滿足30mW目標
對于設(shè)計工程師來說，門檻突然被拔高了。不過，不妨回想一下一年多前，那時的情形與現(xiàn)在似乎并無二致。當(dāng)時，手機電源供應(yīng)商設(shè)計出的恒壓/恒流(CC/CV)適配器/充電器大受贊譽。在待機模式下，這些適配器/充電器在120VAC時功耗為75mW，240VAC時為90mW，都滿足美國環(huán)保署能源之星規(guī)范中針對這兩種輸入電壓制定的0.5W的要求。

雖然30mW是一項極具挑戰(zhàn)性的要求，不過飛兆半導(dǎo)體公司的第三代PSR PWM產(chǎn)品仍然能夠輕松滿足。飛兆半導(dǎo)體最新推出的FSEZ1317器件集成了一個700V功率MOSFET(1A)，可節(jié)省空間和成本。其CV/CC容限從±10%緊縮至±5%，同時，外部電阻和電容的數(shù)量從12個減少到了5個(3個電阻，2個電容)。

這種PSR PWM控制器可實現(xiàn)非常精確的CC/CV調(diào)節(jié)，且無須其他解決方案所需的次極端電壓或電流反饋電路。對設(shè)計人員而言，在電池充電器應(yīng)用中采用次極端反饋電路來進行CV/CC輸出調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)方案已不再有吸引力，因為其成本高，器件數(shù)目多，這意味著需要更多的板上空間和更大的充電器。此外，由于次級端元件會產(chǎn)生功耗，能效也受到不利影響。

對于需要外部MOSFET的設(shè)計，工程師可選擇飛兆半導(dǎo)體的FAN103 PSR PWM控制器。在眾多解決方案供應(yīng)商中，只有飛兆半導(dǎo)體提供有獨立式＋集成式MOSFET PWM控制器選擇。

飛兆半導(dǎo)體的IC產(chǎn)品擁有節(jié)能性能的關(guān)鍵原因在于它采用了高壓(HV)啟動電路、專有綠色控制模式，以及專門開發(fā)的TRUECURRENT技術(shù)，后者利用PSR控制反激式轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)輸出電流，無須次級反饋電路。該控制器使用模擬信號處理和采樣技術(shù)，通過變壓器的初級端輔助繞組來調(diào)節(jié)輸出電壓/電流。利用這種方案，充電器能夠獲得比傳統(tǒng)電路設(shè)計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。