【導(dǎo)讀】近年來(lái)消費(fèi)性電子產(chǎn)品市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，不斷要求電源必須更“省電”和更“小型化”，于是國(guó)際組織例如“能源之星”開(kāi)始規(guī)范電源設(shè)備的節(jié)能要求，尤其最需要規(guī)范的是需要恒流充電模式與恒壓充電模式的電池充電器，它是最常使用也最廣泛地使用在我們身邊的。
應(yīng)用的范圍包括：掌上型電子式產(chǎn)品、PDA、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等。然而多數(shù)的充電器大多采用次級(jí)端反饋控制的方式調(diào)節(jié)輸出，這種控制的方法并無(wú)法減少組件數(shù)目，提升效率與縮小體積，而且難以降低本錢(qián)，于是新架構(gòu)的低級(jí)端調(diào)節(jié)控制便衍生出來(lái)。本篇文章在探討一個(gè)專利技術(shù)叫做“低級(jí)端調(diào)節(jié)控制器（Primary Side Regulation， PSR）”，這種PSR控制器不需要次級(jí)真?zhèn)€反饋線路便可在低級(jí)端精準(zhǔn)地控制充電器輸出的CV/CC，實(shí)現(xiàn)省電、高效率和低本錢(qián)的電源。這種PSR不僅包含了跳頻（Frequency hopping）機(jī)制來(lái)降低EMI，更包括了省電模式（GREEN mode function）降低待機(jī)時(shí)的電源消耗。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這種具有低級(jí)端調(diào)節(jié)控制的充電器相對(duì)于傳統(tǒng)采用RCC或PWM的控制方法，更可以達(dá)到低本錢(qián)、省電和高效率的電源， 所以這種PSR控制方法提供電源朝向低本錢(qián)的最佳解決方案。
圖1為傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器的電池充電器應(yīng)用范例，它包含了次級(jí)端CV控制線路與CC控制線路，光耦合器的作用在耦合次級(jí)真?zhèn)€控制信號(hào)到低級(jí)真?zhèn)€PWM控制器，PWM控制器會(huì)根據(jù)次級(jí)真?zhèn)€控制信號(hào)調(diào)整 MOSFET 的開(kāi)關(guān)周期大小，達(dá)到隨次級(jí)端負(fù)載改變時(shí)仍然可以穩(wěn)定輸出負(fù)載所需的電壓與電流。這種控制方法的缺點(diǎn)在于需要有較多的次級(jí)端控制組件，而這意味著必須有較多的PCB板空間與較高的本錢(qián)；除此之外，光耦合器有可能造成漏電的潛伏危險(xiǎn)，并且二次端偵測(cè)輸出電流的電阻Ro將增加功率的損耗而降低整體電源的效率。
圖1.傳統(tǒng)采用次級(jí)端控制線路的返馳式轉(zhuǎn)換器
低級(jí)端調(diào)節(jié)控制的基本概念
圖2為采用低級(jí)端調(diào)節(jié)控制的反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)范例。PSR控制器為了獲得次級(jí)端輸出電壓的信息，采用獨(dú)特的方式偵測(cè)變壓器輔助繞組上的波形，以獲得次級(jí)真?zhèn)€輸出信息進(jìn)行反饋控制。圖3所示為主要的工作波形。
圖2.采用PSR控制的返馳式轉(zhuǎn)換器電路圖
對(duì)于采用PSR控制器的反激式（flyback）轉(zhuǎn)換器工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式之下會(huì)獲得較好的輸出調(diào)節(jié)能力。因此轉(zhuǎn)換器的工作原理如下：
·當(dāng)PSR內(nèi)部的MOSFET導(dǎo)通時(shí)［ton］，輸進(jìn)端電壓VIN會(huì)建立在變壓器的兩端，因此變壓器低級(jí)真?zhèn)€電流iP將會(huì)由零線性地上升到ipk.；所以ipk.可以由式（1）推導(dǎo)出。在這段期間，輸進(jìn)真?zhèn)€能量會(huì)儲(chǔ)存在變壓器中。
·當(dāng)MOSFET截止時(shí)［toff］，原本存儲(chǔ)在變壓器的能量會(huì)使次級(jí)真?zhèn)€二極管導(dǎo)通，將能量傳給負(fù)載端。在這段期間，輸出真?zhèn)€電壓與次級(jí)端二極管的順向?qū)妷簩?huì)反射到輔助繞組，因此可將輔助繞組電壓VAUX表示為式（2）。此時(shí)PSR內(nèi)部的采樣機(jī)制將會(huì)采樣輔助繞組上的電壓，而輸出電壓的信息將會(huì)隨次級(jí)端電流減少而得知。PSR取得輸出電壓的信息后會(huì)與內(nèi)部參考電壓VREF比較，形成一個(gè)電壓回路控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間以穩(wěn)定恒定的輸出電壓。
·當(dāng)次級(jí)真?zhèn)€輸出二極管上的電流減少為零時(shí)，此時(shí)輔助繞組上的電壓會(huì)由于變壓器的電感與MOSFET上輸出電容COSS產(chǎn)生諧振，直到MOSFET再次導(dǎo)通。
（1）
（2）其中LP為變壓器低級(jí)真?zhèn)€感量；ton為MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間；NAUX/NS為變壓器輔助繞組與次級(jí)端繞組的圈數(shù)比；VO為輸出電壓；VF為次級(jí)端輸出二極管的正向?qū)妷骸?/div>
（3）
圖.3
這個(gè)采樣的方式同樣可以取得變壓器的放電時(shí)間tdis，如圖3所示，次級(jí)端輸出二極管上的電流均勻值會(huì)即是輸出電流IO，因此輸出電流IO可以藉由ipk與tdis表示為式（3）。
（3）其中tS為PSR控制器的開(kāi)關(guān)周期；NP/NS為低級(jí)端與次級(jí)真?zhèn)€圈數(shù)比；RSENSE為低級(jí)端電流取樣電阻。
實(shí)際實(shí)現(xiàn)一個(gè)5W的充電器，輸出規(guī)格的定義為5V/1A。控制器采用FSEZ1216，這個(gè)PSR控制器集成了600V的高壓MOSFET，因此可以減少驅(qū)動(dòng)MOSFET的線路與PCB走線的干擾。而為了要降低待機(jī)損耗，PSR控制器內(nèi)部的省電模式將會(huì)在輕載時(shí)線性地降低PWM的頻率，達(dá)到目前電源規(guī)范省電的需求；跳頻機(jī)制提升EMI的效能，同時(shí)充電器的輸出電壓會(huì)因配備較長(zhǎng)的輸出纜線而導(dǎo)致輸出電壓降低，也可利用內(nèi)部補(bǔ)償機(jī)制提升輸出電壓的調(diào)節(jié)能力。
如圖4至7為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖4的輸出電壓電流曲線中，可以獲得在通用交流電壓的輸進(jìn)之下輸出真?zhèn)€恒定電壓調(diào)節(jié)率可以達(dá)到正負(fù)2.88%；而當(dāng)返回電壓（fold-back voltage）為1.5V時(shí)，輸出真?zhèn)€恒定電流調(diào)節(jié)率可以達(dá)到正負(fù)1.75%，其中在恒電流的范圍中的輸出電壓是藉由5V~28V VDD的電壓控制且在輸出電壓越來(lái)越低時(shí)仍然可以穩(wěn)定恒定輸出電流。如圖5所示，均勻效率可以達(dá)到72.3%@115V與71.5%@230V，可以輕易符合“能源之星”2.0等級(jí)五的能源規(guī)范（規(guī)范為68.17%的均勻效率）。由于PWM的切換頻率加進(jìn)了跳頻機(jī)制，因此可以將單一頻率的能量打散為多個(gè)微調(diào)頻率的能量提升整體的EMI能力，如圖6所示可以符合EN55022等級(jí)B的EMI規(guī)范。
圖4.5W充電器采用PSR控制的輸出電壓/電流曲線
圖5.5W充電器采用PSR控制在不同輸出負(fù)載時(shí)的效率
圖6.5W充電器采用PSR控制在不同輸進(jìn)電壓時(shí)的待機(jī)損耗
圖7.5W充電器采用PSR控制在230V/50Hz最大輸出瓦數(shù)時(shí)的EMI
總結(jié)
隨著全球關(guān)注綠色能源的開(kāi)發(fā)，電源的效率也逐漸獲得重視，具有半導(dǎo)體控制的電源IC扮演一個(gè)提升效率的重要角色，藉由電源IC嶄新的控制技術(shù)使電源能節(jié)省整體的本錢(qián)、降低不必要的切換損失與提升EMI的能力，以達(dá)到“輕薄短小”的目標(biāo)。本篇文章敘述一個(gè)具有嶄新低級(jí)端調(diào)節(jié)控制技術(shù)的應(yīng)用在電池充電器上所展現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，此技術(shù)利用采樣變壓器低級(jí)真?zhèn)€輔助繞組上的電壓達(dá)到輸出真?zhèn)€恒定電流與恒定電壓的調(diào)節(jié)，這樣的優(yōu)點(diǎn)可以節(jié)省傳統(tǒng)采用次級(jí)端反饋線路、光藕合器與次級(jí)端偵測(cè)電流電阻等組件，因此采用低級(jí)端調(diào)節(jié)控制IC的充電器是可以提供高效率與低本錢(qián)的電源一個(gè)最佳解決方案。
