通过初级端调节满足充电器能效规范

作者：飞兆半导体公司 Hangseok Choi 　日期：2009-10

尽管大多数家电和办公设备都是直接插入墙上的电源插座，由高压交流电供电，但事实上其内部电路都需要低压直流电。因此，电源必须把交流电压转换为低直流电压。根据Ecos consulting公司的研究结果表明，现在美国使用的AC/DC电源大约为30亿个，而全球约100亿个。随着这些电源的日益普及和对环境的影响加剧，全球各地都越来越关注电源效率的问题。美国加州能源委员会 (California Energy Commission，CEC)针对外部电源提出了强制性效率标准，而目前采用自愿性规范计划的地区也正在考虑制定强制性标准，以推动电源效率进一步提高。

外部电源中有一半以上是用于便携式电子产品，例如笔记本电脑、手机和MP3播放器，因此它们具有用于电池充电的输出电压和输出电流调节能力，如图1所示。而对于需要精确输出电流调节的应用，电流检测是必需的，但这却会导致额外的损耗。在身处节能法规压力不断增加的环境之中，输出电流检测一直是电源设计人员面临的一个艰巨挑战。


图1 传统次级端调节反激式转换器

在充电器设计中，电源的初级端调节可能是容易满足CEC效率要求的最佳解决方案。这是因为初级端调节只利用电源初级端的信息来精确控制输出电压和电流，不仅避免了输出电流检测损耗，还可省去所有次级反馈电路，有利于实现效率更高的电源设计，同时不会产生庞大的成本费用。

初级端调节的基本概念

图2所示为初级端调节反激式转换器的基本电路及其典型波形。一般而言，断续传导模式(DCM)因输出调节性能较好，是初级端调节的首选工作模式。初级端调节的关键在于如何在无直接检测的前提下获得输出电压和电流的信息。一旦获得这些数值，通过传统的PI控制方法就可以轻易进行控制。


图2 初级端调节反激式转换器及其典型波形

在MOSFET导通时间TON内，初级端电感Lm加载输入电压VIN。于是，MOSFET电流Ids从0线性增加到峰值Ipk。在这段时间内，能量从输入端转移存储在电感中。当MOSFET关断时，存储在电感中的能量促使整流二极管D导通。在二极管导通时间TD内，输出电压Vo加载在次级端电感上，为Lm×Ns2/Np2，二极管电流ID从峰值(Ipk×Np/Ns)线性下降至0。在TD结束时，所有存储在电感中的能量都释放到输出端。在此期间，输出电压和二极管正向压降之和反射到辅助绕组端，表示为(Vo+VF)×Na/Ns。由于二极管正向压降随电流减小而减小，在导通时间结束时，二极管电流减小为0，故这时辅助绕组电压能最好地反映出输出电压。因此，通过在二极管导通结束时对绕组电压进行简单采样，就可以得到输出电压的信息。二极管导通时间则可通过监控辅助绕组电压而获得。


图3 集成式电源开关(FSCQ列)内部模块示意图

集成式初级端调节控制器

初级端调节 PWM 控制器如飞兆半导体公司的FAN102，是一种专门处理初级端调节电源设计的技术。这种技术可显著简化以满足更严苛效率要求的设计难题，并省去增加成本和可靠性较差的外部组件。FAN102还具有用于待机模式的绿色工作模式，并满足国际能源署(IEA)1W倡议要求，1W倡议旨在把待机功耗降至1W以下。图3给出了FAN102的内部结构。该器件带有一个集成式输出电缆压降补偿和外部组件温度变化补偿电路。内部振荡器的抖频则可减小EMI。FAN102的另一个重要特性是VDD范围很宽，为5～28V。当电源工作在恒定输出流模式时，控制IC的供电电压VDD随输出电压而变化。因此，VDD范围决定了恒定电流控制的范围，而且FAN102即使在输出电压低于四分之一额定值时也能够实现稳定的恒定电流调节。