一种低待机损耗电池充电器的研制

摘要:本文分析了影响电池充电器待机损耗的关键因素,给出了一种低待机损耗的电池充电器的设计方法,提出了开关频率优化配置的PWM控制方案。在轻载的同时减小占空比和降低开关频率,使得电路始终工作在优化的频率下。主电路采用反激电路,控制电路采用所提出的控制电路的实验样机的满载效率、空载损耗和输出电压纹波都满足要求。实验结果证明上述设计方法和控制方案的实用性和可行性。

关键词:待机损耗;脉宽调制;充电器

目前许多电器设备在没有使用时,并不是完全切断电源。实际上,从AC插头接通的一刻起,它们就在不停地消耗电力,这就产生了“待机损耗”问题。一台电器的待机损耗一般只有几瓦,但大量的电器24h不间断的通电,这个总和就是一个不容忽略的数字。所以工业界倡导的绿色电源的其中一个要求就是低待机损耗。本文详述了影响待机损耗的关键因素,并且研制了一种低待机损耗的电池充电器,该充电器允许长期和电网相连,为使用者提供了便利。

影响待机损耗的关键因素

开关电源中,功率开关器件的损耗占了总损耗的绝大多数。对于目前主流的功率开关器件MOSFET来说,其损耗主要包括导通损耗和开关损耗。导通损耗就是开关器件处于导通状态下,流过开关的电流在开关的等效导通电阻上产生的损耗,可以表示为:

式中:I是流过MOSFET的电流有效值;R_dson是MOSFET的导通电阻,可以从手册上查得。

而MOSFET的开关损耗由两部分组成,一部分是在MOSFET开通和关断过程,电压和电流的交叠而造成的损耗,可以表示为:

式中:I_m和U_m分别是电流和电压的幅值;t_r和t_f是MOSFET的开通和关断时间,可以从器件手册里查得;F为开关频率。
另一部分是每个周期MOSFET的输出寄生电容的充放电造成的损耗,可表示为:

式中:C_oss是开关的输出电容,也可以从手册里查得。当开关电源工作于空载状态的时候,P_con和P_sw1都接近于零,然而P_sw2和满载的时候一样,基本不随负载而变化。因此P_sw2成了空载损耗的主要部分,想减小空载损耗,可以从减小P_sw2入手。根据(3)式可以看到P_sw2和频率成正比,所以降低开关电源的空载频率是降低待机损耗的最直接的方法。当然空载频率也不希望降得过低,以免带来音频噪声。

低待机损耗的电池充电器的设计

为了实现低待机损耗的要求,下面设计了一种开关频率优化配置的电池充电器,可以有效地降低空载损耗。该电池充电器的输入电压范围:AC90～260V;输出电压:DC19V;输出电流:0～1.5A;输出纹波电压要求:<200mV;待机损耗<1W;满载效率>75%。

目前的电池充电器希望能兼容110V和200V的电力系统,因此选用宽电压范围适应性的反激电路作为主功率拓扑。图1所示的是该电池充电器的功率电路和控制电路。为了降低空载损耗,使用了开关频率优化配置的PWM控制方案。该控制电路可以分为五个部分:补偿网络、隔离电路、可控锯齿波发生电路、方波发生电路、驱动电路。其中补偿网络由TL431及其外围电路构成,是一个比例积分环节,对主电路的传递函数起补偿作用,使得电路能够稳定可靠地工作。隔离电路由光耦及其外围电路构成,将主电路副边的误差信号转换成原边的误差信号。可控锯齿波发生电路由两个晶体管Q1和Q2及其外围电路构成。其中Q₁是PNP型的晶体管,而Q₂是NPN型的晶体管。这两个晶体管起可控电流源的作用。其中一个可控电流源对电容C₁进行充电,而另一个可控电流源对电容C₁进行放电,从而产生一个锯齿波。误差信号V_f可以控制电流源的大小从而控制锯齿波的上升时间和下降时间。方波发生电路由两个比较器和一个RS触发器构成,这与普通的PWM控制器的结构是类似的。驱动电路由晶体管Q₃和Q₄构成。其中Q₄是PNP型的晶体管,而Q₃是NPN型的晶体管。它们组成一个电压跟随器的结构,可以进行电流的放大,提高驱动能力。

图1低待机损耗电池充电器的原理图

下面可控锯齿波电路是该控制电路的关键部分,下面详细分析它的工作原理。图2是控制电路的关键工作波形。晶体管Q₁、Q₂的放大倍数分别是b₁和b₂。假设PWM信号的高电平为V_o1,低电平为V_o2。那么可控电流源I_c、I_d可表示为:
根据电容C₁的充放电原理,可以推出DT和(1-D)T的表达式:

式中:V_H1V_L为方波比较器的高低阀值。由此可以进一步得到频率F和占空比D的表达式:


图2关键工作波形

图3是根据公式(8)和(9)所绘制的频率、占空比和误差信号V_f的关系曲线。可以看到,当误差信号V_f比较小时,对应的占空比D和频率F也都比较小。而当误差信号Vf比较大时,对应的占空比D和频率F也都比较大。而普通的反激电路的特性是轻载时占空比比较小,而重载时占空比比较大。这就实现了轻载时频率比较低,从而获得低空载损耗;而重载时开关频率比较高,使得磁性元件和电容的压力减轻。同时轻载时又适当减小导通时间,使得开关频率不会变得过于低,实现了开关频率的优化配置。同时,由于电源的输入电压有一定的范围,所以特意构造出图3所示的频率曲线,使得不同输入电压下的重载频率都比较高。

图3理论频率、占空比和误差信号Vf的关系曲线

实验结果


图4 实验波形

图4(a)、(b)、(c)所示的分别是满载、半载、空载情况下的实验波形。可以看到随着负载的增加,占空比和频率同时增加,和上面的理论分析一致。表1是关键的实验数据。可以看到空载损耗、满载效率、输出纹波都满足规格要求。


结论

本文给出了一种低待机损耗的电池充电器的设计方法。提出了开关频率优化配置的PWM控制方案。在轻载的时候同时减小占空比和降低开关频率,使得电路始终工作在优化的频率下。实验结果证明上述设计方法和控制方案的实用性和可行性。该充电器的设计思路可以应用于手机、笔记本电脑等领域的电池充电设备中。