嚴(yán)格的CV/CC空載容限，30mW待機(jī)功耗手機(jī)充電器解決方案 - 全文

　　做一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，就很容易理解為什么政府機(jī)關(guān)和手機(jī)製造商突然之間都要積極地降低手機(jī)充電器的待機(jī)功耗：全球有超過(guò)40億的手機(jī)用戶，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(jī)之后，仍然讓自己的充電器保持在連接的狀態(tài)，因而會(huì)繼續(xù)耗電。根據(jù)諾基亞的統(tǒng)計(jì)，行動(dòng)設(shè)備使用期間所使用電量的2/3是在空載模式下消耗的。

　　對(duì)所有人而言，降低溫室效應(yīng)氣體排放量和化石燃料消耗量是十分重要的，但除此之外，手機(jī)充電器解決方案還必須具有切實(shí)的優(yōu)勢(shì)，如合理的成本、易于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和可靠的品質(zhì)。在這方面，快捷半導(dǎo)體可為設(shè)計(jì)人員提供各種相關(guān)的IC，這些產(chǎn)品利用該公司在整合度和封裝領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)能力，在單一元件上整合了一個(gè)PWM控制器、一個(gè)MOSFET（如果需要的話）和多項(xiàng)保護(hù)功能，能夠幫助製造商達(dá)到5星級(jí)的節(jié)能要求，也就是空載功耗不到30mW（只有業(yè)界平均功耗300mW的1/10）以及±5％的輸出CV/CC容限，并且無(wú)需次級(jí)端控制電路。

　　嚴(yán)格的空載容限（Tolerances）

　　現(xiàn)在的手機(jī)用戶有許多要求，包括大尺寸的觸控式螢?zāi)?、?shù)百萬(wàn)像素的相機(jī)、藍(lán)牙及802.11的無(wú)線連結(jié)、全面的網(wǎng)路瀏覽、電子郵件和資料庫(kù)的存取、GPS導(dǎo)航、音樂(lè)及影片下載，以及未來(lái)的行動(dòng)數(shù)位電視。所有這些熱門(mén)功能都需要使用電能。手機(jī)是以電池來(lái)供電的，而電池則可藉由各種不同的電源來(lái)充電，如汽車(chē)上的點(diǎn)煙器（電源轉(zhuǎn)換器）、飛機(jī)座椅上的電源插座，還有筆記型電腦或桌上型電腦上的USB埠。

　　當(dāng)然，最普遍的充電電源還是墻壁上的AC電源插座和通常被稱(chēng)為手機(jī)充電器的外置AC-DC電源轉(zhuǎn)換器（adapter）（然而，這類(lèi)設(shè)備大多數(shù)都不是真正的充電器。充電電路其實(shí)位于手機(jī)內(nèi)部）。

　　手機(jī)充電時(shí)平均僅需要2W的功率，而筆記型電腦需要近100W，這也是手機(jī)充電器比筆記型電腦充電器小得多的塬因。儘管如此，由于全球手機(jī)用戶多達(dá)40億，而只有10億人擁有PC，故降低功耗，即一般使用者所知道的待機(jī)功耗，或工程師所知道的空載功耗，已成為現(xiàn)今一項(xiàng)關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。

　　採(cǎi)取一系列措施來(lái)提升效率和降低空載功耗的需求便是這些關(guān)注所帶來(lái)的結(jié)果。其中最新且最嚴(yán)格的是由全球前五大手機(jī)廠商提出且是自愿性的充電器星級(jí)制協(xié)定（Star Rating System agreement），用以標(biāo)識(shí)在充電完成之后，充電器仍插在墻壁插座上時(shí)的耗能量。該星級(jí)制從0星級(jí)開(kāi)始，到最高的5星級(jí)?？蛰d下額定待機(jī)功耗＞0.5W的充電器為0星級(jí)標(biāo)章，待機(jī)功耗＜0.03W30mW）的為5星級(jí)（見(jiàn)表）。經(jīng)由比較，大多數(shù)現(xiàn)有手機(jī)的待機(jī)功耗皆落在150～300mW範(fàn)圍之間。

　　這一點(diǎn)十分重要，有必要再次重申：要想獲得5星級(jí)的標(biāo)章，充電器必須達(dá)到30mW或更低的空載功耗（見(jiàn)表），這比能源之星（level V）的要求還低90％。

　　嚴(yán)格的CV/CC容限的重要性

　　目前，小型可攜式設(shè)備的電池都選擇鋰離子技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是在于其尺寸小、能量密度高、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恆流／恆壓（CC/CV）的充電方式；每種充電模式的時(shí)間長(zhǎng)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(shí)，充電器進(jìn)入恆流（CC）充電模式；這時(shí)大部分充電能量都傳送給電池。一旦電池充電充到浮動(dòng)電壓（電池?cái)嚅_(kāi)，零電流時(shí)，電池電壓通常在4.2V左右），系統(tǒng)將開(kāi)始減小充電電流，以保持所需的電壓—這就是所謂的「恆壓」模式。

　　雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但在對(duì)手機(jī)充電時(shí)，需要對(duì)浮動(dòng)電壓區(qū)進(jìn)行精確的控制，才能獲得最大電池容量，并延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。不精確的電池電壓調(diào)節(jié)可能會(huì)使電池充電不足，導(dǎo)致電池容量大幅地降低。另一方面，如果充電電壓過(guò)高，電池的週期壽命會(huì)大大地縮短。鋰離子電池的過(guò)度充電還可能造成設(shè)備災(zāi)難性的故障。

　　滿足30mW目標(biāo)

　　對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，門(mén)檻突然被拉高了。不過(guò)，不妨回想一下一年多前，那時(shí)的情形與現(xiàn)在似乎并無(wú)二致。當(dāng)時(shí)，手機(jī)電源供應(yīng)商設(shè)計(jì)出的恆壓／恆流（CC/CV）配接器／充電器備受讚賞。在待機(jī)模式下，這些配接器/充電器在120VAC時(shí)功耗為75mW，240VAC時(shí)為90mW，都可滿足美國(guó)環(huán)保署能源之星規(guī)範(fàn)中針對(duì)這兩種輸入電壓所規(guī)定的0.5W的要求。

　　雖然30mW是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的要求，不過(guò)快捷半導(dǎo)體的第叁代PSR PWM產(chǎn)品仍然能夠輕易地克服此一挑戰(zhàn)?？旖莅雽?dǎo)體最新推出的FSEZ1317元件整合了一個(gè)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(shí)，外部電阻和電容的數(shù)量也從12個(gè)減少到剩下5個(gè)（3個(gè)電阻，2個(gè)電容）。

　　這種PSR PWM控制器可實(shí)現(xiàn)非常精確的CC/CV調(diào)節(jié)，且無(wú)需其他解決方案所需的次極端電壓或電流回饋電路。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，在電池充電器應(yīng)用中採(cǎi)用次極端回饋電路來(lái)進(jìn)行CV/CC輸出調(diào)節(jié)的傳統(tǒng)方案已不再具有吸引力，因?yàn)槠涑杀靖撸骷?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(jí)端元件會(huì)產(chǎn)生功耗，對(duì)效率也有負(fù)面的影響。

　　對(duì)于需要外部MOSFET的設(shè)計(jì)，工程師可選擇快捷半導(dǎo)體的FAN103 PSR PWM控制器。在眾多解決方案供應(yīng)商中，只有快捷半導(dǎo)體可提供獨(dú)立式＋整合式MOSFET PWM控制器的選項(xiàng)。

　　快捷半導(dǎo)體的IC產(chǎn)品擁有節(jié)能性能的關(guān)鍵塬因是因?yàn)樗鼟?cǎi)用了高壓（HV）啟動(dòng)電路、專(zhuān)有綠色控制模式，以及專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的TRUECURRENT技術(shù)，后者利用PSR控制返馳式轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流，無(wú)需次級(jí)回饋電路。該控制器使用類(lèi)比信號(hào)處理和採(cǎi)樣技術(shù)，經(jīng)由變壓器的初級(jí)端輔助繞組來(lái)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(jì)更小的外形尺寸、更低的待機(jī)功耗和更高的效率。