设计高功率小电源适配器的简单方法

移动设备制造商正不断增加电池容量来适应移动设备不断增加的社交网络、视频流、游戏、超高清屏幕和其他高耗电的应用。这些大容量电池需要功率更高的电源适配器，来确保充电时间不会增加。而制造商并不愿意为其最新智能手机和平板电脑配备尺寸更大的适配器来提供更高的功率，所以适配器只能在现有尺寸基础上支持更高的功率。这就需要采用更小的元件以及具有更高的转换效率，才能确保电源适配器外壳温度不会超出制造商的要求。

另外，将于2016年生效的新外置电源规范，将使现有的一般用于电源适配器的非同步整流反激（flyback）变换拓扑几乎不可能满足最低的效率要求。同步整流技术可以提高效率，使电源适配器能够满足这些新规范的要求，并保持外壳温度不上升，但如果考虑不周，成本和尺寸有可能增加到不可接受的水平。所以我们需要新技术来提高效率，同时又能将元件数量控制在最少程度，从而不增加电源适配器的成本和尺寸。

图1. 具有非同步整流输出（A）和同步整流输出（B）的反激转换器简化电路

便携式电源适配器把输入线路电压（90Vac-265Vac）降至适合便捷式设备需要的电压。实现该功能最经济有效的离线转换拓扑是一种简单的非同步反激（flyback）转换器，可以提供足够高的效率来满足现行国际电源规范的要求。如果把相同的非同步反激转换器拓扑用于为大容量电池充电的高功率密度的新型便携式电源适配器，其损耗及散热需要会高很多，从而导致外壳温度达到无法接受的程度。同时，随着国际外置电源规范对最低效率的要求变严格，非同步方案达到实际极限而无法完成该最低效率目标（1）。

目前市场上的典型10W（5V、2A）输出功率便携式电源适配器的平均转换效率在75-80%，能够符合先行的电源规范，并使峰值负荷条件下的功率损耗在2-2.5W范围之内。这些电源适配器中使用的非同步整流反激拓扑正常运行时电源适配器肯定会发热，但保持在可控范围内。而在功率达到15W时，同样的80%的效率会多产生50%的功率损耗，严重增加电源适配器外壳的温度。将于2016年生效的新标准要求最低效率>84%，这个目标对于标准反激转换器来说非常困难。如果在二次侧使用同步整流技术，可使效率提高到最低要求水平以上，并使电源适配器外壳温度保持在可控范围内。

为更好地说明这一点，我们对低正向电压降二极管与同步整流器（SR）MOSFET的功率损耗进行了快速分析，结果显示二者的功率损耗存在明显差异。图1显示了一种在二次侧采用整流二极管vs采用同步整流的简单反激转换器电路比较。非同步整流变换的功率损耗分析相对简单。二极管的正向电压和流经二极管的平均电流决定了整流管的绝大部分功率损耗。而同步整流电路中的MOSFET的损耗较为复杂。图2显示了采用整流二极管和同步整流MOSFET的功率损耗差异。当使用同步MOSFET时，总功率损耗由导通损耗、栅极驱动损耗、体二极管损耗和开关损耗构成。导通损耗取决于同步MOSFET的导通电阻，栅极损耗主要取决于MOSFET的寄生特征和开关频率，开关损耗取决于多种因素，但最重要的是MOSFET从导通到关断的时间。

最后，还有一个体二极管（BD）项，其在电流断续模式（DCM）中有两个损耗项。第一项是从一次侧主开关关断到SRFET开通前的时间内，变压器二次侧电路中刚开始流过SR FET的体二极管的电流。第二项是从二次侧同步整流器控制器关断后到二次侧电路放电至零的时间内的流过SRFET的电流。在有些实现方式中，该死区时间可能产生相当大的功率损耗。普通的自驱动式（没有来自一次侧的直接控制的）二次侧转换器，依靠简单的控制技术和SR FET的特征来决定何时关断SR FET，常常提前关断了二次侧SR FET。在死区时间里，二次侧电流继续流动，但却是流经MOSFET的体二极管，而非MOSFET本身。由于体二极管的正向压降远高于标准二极管的正向电压，达1V左右，即使每个周期的死区时间很短暂，各项损耗加起来也占到输出功率的很大比例。解决该问题的最常见方法是在SR MOSFET上并联一个肖特基二极管（图1，输出B，元件3），来减小该死区时间内的正向电压降，进而减小功率损耗。

图2显示了非同步整流和同步整流方案的功率损耗比较。同步整流方案有两个功率损耗曲线，一个采用标准时序控制的同步MOSFET的体二极管，另一个使用了并联肖特基二极管。同步整流方案的功耗节省很明显，不过对设计尺寸和成本的增加也是显而易见的。

图2. 二极管与二次侧MOSFET的功率损耗对比

一种替代方案是使用智能数字控制来检测二次侧同步整流MOSFET的漏极和源极电压来控制SR FET的关断，从而将死区时间降到最短，实现体二极管损耗最小化。来自Dialog半导体公司的iW671二次侧同步整流控制器，集成了数字自适应关断控制电路，可密切监测MOSFET的漏极-源极电压，当电压接近需要关断SR FET的阈值时，控制器会及时关断SR FET，并确保SR FET保持关断状态，而不会响应在FET上的可能产生的高压振铃。这一自适应关断控制可将死区时间限制到50纳秒内，从而消除了并联肖特基二极管的需要。这在保持高效率优势的同时，将成本和尺寸降到了最低。该技术的自适应特点有助于它与各种类型的MOSFET一起使用，不需要为降低体二极管压降功率损耗而去选择特定的MOSFET。图3显示了iW671将体二极管损耗降到了，达到了使用并联肖特基二极管的效果，因此不需要增加额外的元件。

图3. 二次侧同步整流MOSFET的各个功率损耗项

iW671集成的数字技术的一个重要优势是能够在低压条件下正常工作。这对恒压恒流便携式电源适配器很重要。大多数二次侧控制器由于依赖于转换器的输出供电，因此只能在相当高的输出电压下工作，而限制了转换器在便携式电源适配器中的有效应用。iW671集成了脉冲型线性稳压器电路，允许器件直接从二次电路的未整流输出获得电力供应，检测峰值电压以及开通SR电路，从而在低至2V的输出电压下也能正常工作。该特性支持CC-CV便携式电源适配器电路中的正常运行，而无需任何附加元件。

通过使用iW671控制芯片，设计工程师能够设计出效率接近90%的便携式电源适配器。图4显示了使用Qualcomm® Quick Charge™ 2.0技术为大容量电池快速充电的智能手机便携式电源适配器的典型应用原理图。

图4. 非同步整流Qualcomm^®Quick Charge™2.0 Class A 技术充电器

这种Quick Charge Class A设计提供5V、9V和12V三种输出电压，最大输出功率为15W，输出电压配置为5V时的平均效率为81%。通过增加iW671二次侧同步整流器控制（图5），5V时的平均效率可增加至86%，比非同步整流方案增加了5%。

图5. 具有二次侧同步整流的Qualcomm^®Quick Charge™2.0 Class A技术电源适配器

效率得到明显提高，足以满足将于2016年生效的DoE level VI外置电源规范和第5版欧盟行为准则（EU Code of Conduct）tier 2自愿标准的要求。通过增加效率而减少散热，热管理变得更加容易。假设电源适配器的实体尺寸相似，则86%效率的解决方案的外壳温度将更低，并使关键元件保持更低温度。在实际工作条件下进行的典型测试显示，如果将图4中的电路改为同步方案可以使外壳温度下降8^ºC。测量结果还显示电路板上关键元件的峰值温度差高达12^ºC，实现了温度的显著下降。

在便捷式电子设备电源适配器的反激转换拓扑的二次侧使用智能数字同步整流控制技术，能够帮助设计出符合电源规范要求的解决方案，降低适配器外壳温度。这都是在消除对二次侧并联肖特基二极管的需要的基础上，使物料成本最低并使电源适配器外壳尺寸实现最小化。