通過初級端調(diào)節(jié)滿足充電器能效規(guī)范

盡管大多數(shù)家電和辦公設(shè)備都是直接插入墻上的電源插座，由高壓交流電供電，但事實(shí)上其內(nèi)部電路都需要低壓直流電。因此，電源必須把交流電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓。根據(jù)Ecos consulting公司的研究結(jié)果表明，現(xiàn)在美國使用的AC/DC電源大約為30億個(gè)，而全球約100億個(gè)。隨著這些電源的日益普及和對環(huán)境的影響加劇，全球各地都越來越關(guān)注電源效率的問題。美國加州能源委員會(huì) (California Energy Commission，CEC)針對外部電源提出了強(qiáng)制性效率標(biāo)準(zhǔn)，而目前采用自愿性規(guī)范計(jì)劃的地區(qū)也正在考慮制定強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)電源效率進(jìn)一步提高。

外部電源中有一半以上是用于便攜式電子產(chǎn)品，例如筆記本電腦、手機(jī)和MP3播放器，因此它們具有用于電池充電的輸出電壓和輸出電流調(diào)節(jié)能力，如圖1所示。而對于需要精確輸出電流調(diào)節(jié)的應(yīng)用，電流檢測是必需的，但這卻會(huì)導(dǎo)致額外的損耗。在身處節(jié)能法規(guī)壓力不斷增加的環(huán)境之中，輸出電流檢測一直是電源設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)艱巨挑戰(zhàn)。

圖1 傳統(tǒng)次級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器

在充電器設(shè)計(jì)中，電源的初級端調(diào)節(jié)可能是容易滿足CEC效率要求的最佳解決方案。這是因?yàn)槌跫壎苏{(diào)節(jié)只利用電源初級端的信息來精確控制輸出電壓和電流，不僅避免了輸出電流檢測損耗，還可省去所有次級反饋電路，有利于實(shí)現(xiàn)效率更高的電源設(shè)計(jì)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生龐大的成本費(fèi)用。

初級端調(diào)節(jié)的基本概念
圖2所示為初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器的基本電路及其典型波形。一般而言，斷續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)因輸出調(diào)節(jié)性能較好，是初級端調(diào)節(jié)的首選工作模式。初級端調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于如何在無直接檢測的前提下獲得輸出電壓和電流的信息。一旦獲得這些數(shù)值，通過傳統(tǒng)的PI控制方法就可以輕易進(jìn)行控制。

圖2 初級端調(diào)節(jié)反激式轉(zhuǎn)換器及其典型波形[!--empirenews.page--]

在MOSFET導(dǎo)通時(shí)間TON內(nèi)，初級端電感Lm加載輸入電壓VIN。于是，MOSFET電流Ids從0線性增加到峰值Ipk。在這段時(shí)間內(nèi)，能量從輸入端轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)在電感中。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在電感中的能量促使整流二極管D導(dǎo)通。在二極管導(dǎo)通時(shí)間TD內(nèi)，輸出電壓Vo加載在次級端電感上，為Lm×Ns2/Np2，二極管電流ID從峰值(Ipk×Np/Ns)線性下降至0。在TD結(jié)束時(shí)，所有存儲(chǔ)在電感中的能量都釋放到輸出端。在此期間，輸出電壓和二極管正向壓降之和反射到輔助繞組端，表示為(Vo+VF)×Na/Ns。由于二極管正向壓降隨電流減小而減小，在導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)，二極管電流減小為0，故這時(shí)輔助繞組電壓能最好地反映出輸出電壓。因此，通過在二極管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)對繞組電壓進(jìn)行簡單采樣，就可以得到輸出電壓的信息。二極管導(dǎo)通時(shí)間則可通過監(jiān)控輔助繞組電壓而獲得。

圖3 集成式電源開關(guān)(FSCQ列)內(nèi)部模塊示意圖

集成式初級端調(diào)節(jié)控制器
初級端調(diào)節(jié) PWM 控制器如飛兆半導(dǎo)體公司的FAN102，是一種專門處理初級端調(diào)節(jié)電源設(shè)計(jì)的技術(shù)。這種技術(shù)可顯著簡化以滿足更嚴(yán)苛效率要求的設(shè)計(jì)難題，并省去增加成本和可靠性較差的外部組件。FAN102還具有用于待機(jī)模式的綠色工作模式，并滿足國際能源署(IEA)1W倡議要求，1W倡議旨在把待機(jī)功耗降至1W以下。圖3給出了FAN102的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該器件帶有一個(gè)集成式輸出電纜壓降補(bǔ)償和外部組件溫度變化補(bǔ)償電路。內(nèi)部振蕩器的抖頻則可減小EMI。FAN102的另一個(gè)重要特性是VDD范圍很寬，為5～28V。當(dāng)電源工作在恒定輸出流模式時(shí)，控制IC的供電電壓VDD隨輸出電壓而變化。因此，VDD范圍決定了恒定電流控制的范圍，而且FAN102即使在輸出電壓低于四分之一額定值時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的恒定電流調(diào)節(jié)。