PowerInt 2.75W USB充电器设计

Power Integrations公司的LNK603-606/613-616 LinkSwitch-II系列是高效的开关控制器,它集成了700V的功率MOSFET,新颖的ON/OFF控制状态机,用于自偏压的高压开关电流源, 频率抖动(frequency jittering),逐个周期的电流限制和带滞后的热关断电路,从而大大地简化了恒压/恒流转换器的设计.本文介绍了LNK603-606/613-616 LinkSwitch-II系列的主要特性, 功能方框图, LinkSwitch-II反激电源以及2.75W USB充电器的参考设计和电路图.

The LinkSwitch-II dramatically simplifies low power CV/CC charger designs by eliminating an optocoupler and secondary control circuitry. The device introduces a revolutionary control technique to provide very tight output voltage and current regulation, compensating for transformer and internal parameter tolerances along with input voltage variations.
The device incorporates a 700 V power MOSFET, a novel On/Off control state machine, a high voltage switched current source for self biasing, frequency jittering, cycle-by-cycle current limit and hysteretic thermal shutdown circuitry onto a monolithic IC.
Product Highlights
Dramatically Simplifies CV/CC Converters
Eliminates Optocoupler and all secondary CV/CC control circuitry
Eliminates all control loop compensation circuitry
Advanced Performance Features
Compensates for transformer inductance tolerances
Compensates for input line voltage variations
Compensates for cable voltage drop (LNK61X series)
Compensates for external component temperature variations
Very tight IC parameter tolerances using proprietary trimming technology
Frequency jittering greatly reduces EMI filter cost
Even tighter output tolerances achievable with external resistor selection/trimming
Advanced Protection/Safety Features
Auto-restart protection reduces power delivered by >95% for output short circuit and control loop faults (open and shorted components)
Hysteretic thermal shutdown – automatic recovery reduces power supply returns from the field
Meets HV creepage requirements between Drain and all other pins both on the PCB and at the package
EcoSmart  – Energy Efficient
Easily meets all global energy efficiency regulations
No-load consumption <200 mW at 230 VAC and down to below 30 mW with optional external bias
On/Off control provides constant efficiency down to very light loads – ideal for CEC and ENERGY STAR 2.0 regulations
No current sense resistors – maximizes efficiency
Green Package
Halogen free and RoHS compliant package
Applications
Chargers for cell/cordless phones, PDAs, MP3/portable audio devices, adapters, LED drivers, etc.



图1. LinkSwitch-II系列功能方框图



图2.节能的USB充电器电源(平均效率74%,无负载时的功耗小于40mW)



图3.没有偏置电源的LinkSwitch-II反激电源
2.75W USB充电器的参考设计
设计特色
采用革新性控制概念，能够实现元件数量少、成本极低的解决方案
初级侧控制省去了次级侧控制器和光耦器
恒压(CV)精度：±5%
恒流(CC)精度：±10%
带迟滞恢复的过热保护功能可确保PCB温度在所有条件下均处于安全范围内
自动重启动：输出短路和开环保护
极高能效
整个负载范围内的平均效率：74%（能源之星2.0要求为64%）
空载输入能耗：在230 VAC输入情况下小于40 mW

轻松满足以下标准要求：
EN55022和CISPR-22 B级传导EMI要求（EMI裕量>10 dBμV）
IEC 61000-4-5 3级AC电涌和ESD承受力
满足<5 mA的电池放电要求
工作原理
图4所示为2.75 W恒压／恒流(CV/CC)通用输入充电器电源的电路图，该设计采用了Power Integrations的LinkSwitch系列产品LNK613DG。这种设计非常适合手机或类似的USB充电器应用，包括手机电池充电器、USB充电器或任何有恒压／恒流特性要求的应用。

在本设计中，二极管D1至D4对AC输入进行整流，电容C1和C2对 DC进行滤波。L1、C1和C2组成一个π型滤波器，对差模传导 EMI噪声进行衰减。这些与Power Integrations的变压器E-sheild&#8482; 技术相结合，使本设计能以充足的裕量轻松满足EN55022 B级传 导EMI要求，且无需Y电容。防火、可熔、绕线式电阻RF1提供严 重故障保护，并可限制启动期间产生的浪涌电流。

图1显示U1通过可选偏置电源实现供电，这样可以将空载功耗降 低到40 mW以下。旁路电容C4的值决定电缆压降补偿的数量。
1 μF的值对应于对一条0.3 Ω、24 AWG USB输出电缆的补偿。（10 μF电容对0.49 Ω、26 AWG USB输出电缆进行补偿。）在恒压阶段，输出电压通过开关控制进行调节。输出电压通过跳过开关周期得以维持。通过调整使能与禁止周期的比例，可以维持稳压。这也可以使转换器的效率在整个负载范围内得到优化。
轻载（涓流充电）条件下，还会降低电流限流点以减小变压器磁 通密度，进而降低音频噪音和开关损耗。随着负载电流的增大，电流限流点也将升高，跳过的周期也越来越少。
当不再跳过任何开关周期时（达到最大功率点），LinkSwitch-II内的控制器将切换到恒流模式。需要进一步提高负载电流时，输出电压将会随之下降。输出电压的下降反映在FB引脚电压上。作为对FB引脚电压下降的响应，开关频率将线性下降，从而实现恒流输出。

D5、R2、R3和C3组成RCD-R箝位电路，用于限制漏感引起的漏极电压尖峰。电阻R3拥有相对较大的值，用于避免漏感引起的漏极电压波形振荡，这样可以防止关断期间的过度振荡，从而降低传导EMI。

二极管D7对次级进行整流，C7对其进行滤波。C6和R7可以共同限制D7上的瞬态电压尖峰，并降低传导及辐射EMI。电阻R8和齐纳二极管VR1形成一个输出假负载，可以确保空载时的输出电压处于可接受的限制范围内，并确保充电器从AC市电断开时电池不会完全放电。反馈电阻R5和R6设定最大工作频率与恒压阶段的输出电压。

设计要点
选择电容C7作为低ESR型电容，可以满足输出电压纹波要求，而无需使用后级LC滤波器。

如果可以接受较低的平均效率（降低3%到4%），则用PN结型二极管来替代D7，这样可降低成本。然后根据需要重新调节R5和R6，确保输出电压保持基本恒定。
在PCB板上，将旁路引脚电容(C4)靠近U1放置。减小箝位和输出二极管的环路面积，以降低EMI。使AC输入和开关节点保持一定距离，降低可能会绕开输入滤波的噪声耦合。

U1上高压引脚与低压引脚之间的爬电距离非常大，可以避免产生电弧并提高可靠性，这在非常潮湿的条件下特别重要。R5和R6应使用容差为1%的电阻，这样可以提高电压和电流调
节的准确度。



图4.2.75 W恒压／恒流通用输入充电器电源的电路图