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能满足30mW待机功耗的手机充电器解決方案
发布时间:2012/6/22 12:00:00 来源:
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做一個簡單的數學計算,就很容易理解為什麼政府機關和手機製造商突然之間都要積極地降低手機充電器的待機功耗:全球有超過40億的手機用戶,而其中大多數用戶都習慣於即使在電池完全充滿並拔掉手機之後,仍然讓自己的充電器保持在連接的狀態,因而會繼續耗電。根據諾基亞的統計,行動設備使用期間所使用電量的2/3是在空載模式下消耗的。
對所有人而言,降低溫室效應氣體排放量和化石燃料消耗量是十分重要的,但除此之外,手機充電器解決方案還必須具有切實的優勢,如合理的成本、易於設計、生產和可靠的品質。在這方面,快捷半導體可為設計人員提供各種相關的IC,這些產品利用該公司在整合度和封裝領域的專業能力,在單一元件上整合了一個PWM控制器、一個MOSFET(如果需要的話)和多項保護功能,能夠幫助製造商達到5星級的節能要求,也就是空載功耗不到30mW(只有業界平均功耗300mW的1/10)以及±5%的輸出CV/CC容限,並且無需次級端控制電路。

嚴格的空載容限(Tolerances)
現在的手機用戶有許多要求,包括大尺寸的觸控式螢幕、數百萬像素的相機、藍牙及802.11的無線連結、全面的網路瀏覽、電子郵件和資料庫的存取、GPS導航、音樂及影片下載,以及未來的行動數位電視。所有這些熱門功能都需要使用電能。手機是以電池來供電的,而電池則可藉由各種不同的電源來充電,如汽車上的點煙器(電源轉換器)、飛機座椅上的電源插座,還有筆記型電腦或桌上型電腦上的USB埠。
當然,最普遍的充電電源還是牆壁上的AC電源插座和通常被稱為手機充電器的外置AC-DC電源轉換器(adapter)(然而,這類設備大多數都不是真正的充電器。充電電路其實位於手機內部)。
手機充電時平均僅需要2W的功率,而筆記型電腦需要近100W,這也是手機充電器比筆記型電腦充電器小得多的原因。儘管如此,由於全球手機用戶多達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功耗,或工程師所知道的空載功耗,已成為現今一項關鍵性的設計考慮事項。
採取一系列措施來提升效率和降低空載功耗的需求便是這些關注所帶來的結果。其中最新且最嚴格的是由全球前五大手機廠商提出且是自願性的充電器星級制協定(Star Rating System agreement),用以標識在充電完成之後,充電器仍插在牆壁插座上時的耗能量。該星級制從0星級開始,到最高的5星級。空載下額定待機功耗>0.5W的充電器為0星級標章,待機功耗<0.03W30mW)的為5星級(見表)。經由比較,大多數現有手機的待機功耗皆落在150~300mW範圍之間。
這一點十分重要,有必要再次重申:要想獲得5星級的標章,充電器必須達到30mW或更低的空載功耗(見表),這比能源之星(level V)的要求還低90%。


嚴格的CV/CC容限的重要性
目前,小型可攜式設備的電池都選擇鋰離子技術。這種技術的優勢是在於其尺寸小、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於恆流/恆壓(CC/CV)的充電方式;每種充電模式的時間長短取決於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,充電器進入恆流(CC)充電模式;這時大部分充電能量都傳送給電池。一旦電池充電充到浮動電壓(電池斷開,零電流時,電池電壓通常在4.2V左右),系統將開始減小充電電流,以保持所需的電壓—這就是所謂的「恆壓」模式。
雖然實現起來比較簡單,但在對手機充電時,需要對浮動電壓區進行精確的控制,才能獲得最大電池容量,並延長電池使用時間。不精確的電池電壓調節可能會使電池充電不足,導致電池容量大幅地降低。另一方面,如果充電電壓過高,電池的週期壽命會大大地縮短。鋰離子電池的過度充電還可能造成設備災難性的故障。

滿足30mW目標
對於設計工程師來說,門檻突然被拉高了。不過,不妨回想一下一年多前,那時的情形與現在似乎並無二致。當時,手機電源供應商設計出的恆壓/恆流(CC/CV)配接器/充電器備受讚賞。在待機模式下,這些配接器/充電器在120VAC時功耗為75mW,240VAC時為90mW,都可滿足美國環保署能源之星規範中針對這兩種輸入電壓所規定的0.5W的要求。
雖然30mW是一項極具挑戰性的要求,不過快捷半導體的第三代PSR PWM產品仍然能夠輕易地克服此一挑戰。快捷半導體最新推出的FSEZ1317元件整合了一個700V功率MOSFET(1A),可節省空間和成本。其CV/CC容限從±10%緊縮至±5%,同時,外部電阻和電容的數量也從12個減少到剩下5個(3個電阻,2個電容)。
這種PSR PWM控制器可實現非常精確的CC/CV調節,且無需其他解決方案所需的次極端電壓或電流回饋電路。對設計人員而言,在電池充電器應用中採用次極端回饋電路來進行CV/CC輸出調節的傳統方案已不再具有吸引力,因為其成本高,器件數目多,這意味著需要更多的板上空間和更大的充電器。此外,由於次級端元件會產生功耗,對效率也有負面的影響。
對於需要外部MOSFET的設計,工程師可選擇快捷半導體的FAN103 PSR PWM控制器。在眾多解決方案供應商中,只有快捷半導體可提供獨立式+整合式MOSFET PWM控制器的選項。
快捷半導體的IC產品擁有節能性能的關鍵原因是因為它採用了高壓(HV)啟動電路、專有綠色控制模式,以及專門開發的TRUECURRENT技術,後者利用PSR控制返馳式轉換器來調節輸出電流,無需次級回饋電路。該控制器使用類比信號處理和採樣技術,經由變壓器的初級端輔助繞組來調節輸出電壓/電流。利用這種方案,充電器能夠獲得比傳統電路設計更小的外形尺寸、更低的待機功耗和更高的效率。

 
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