基于快充技術(shù)的開關(guān)電源設(shè)計

閻昌國，龔仁喜，陳連貴

(1.遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563002； 2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004)

基于快充技術(shù)的開關(guān)電源設(shè)計

閻昌國1，龔仁喜2，陳連貴1

(1.遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563002； 2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004)

為提升智能手機充電速度，縮短充電等待時間，改善目前智能手機續(xù)航能力低下的問題，設(shè)計了一種能滿足快充技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的反激式開關(guān)電源。描述了系統(tǒng)各關(guān)鍵電路模塊和器件(如變壓器、RCD吸收電路及開關(guān)器件)的設(shè)計過程，給出了系統(tǒng)電路原理圖，制作了實驗樣機，并對實驗樣機進行實際測試。測試結(jié)果表明：該電源紋波小、環(huán)路響應(yīng)快、穩(wěn)壓性能優(yōu)良。同時該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、使用元器件少、電路結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點。

快充技術(shù)；開關(guān)電源；變壓器；RCD吸收電路

隨著信息化與智能化技術(shù)的發(fā)展，手機已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚男畔⒔涣髌脚_和工具。但迄今為止，人們通常使用的智能手機耗電快、續(xù)航能力差，且現(xiàn)有的充電器充電速度慢，這無疑成為影響其優(yōu)良性能發(fā)揮的瓶頸。為改善智能手機續(xù)航能力低下的問題，在電池容量無法增大與電池技術(shù)無法獲得突破的背景下，只能通過改善充電技術(shù)來提升智能手機充電速度、縮短充電等待時間，進而改善其續(xù)航能力。為此，本文依據(jù)高通公司提出的快充技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一種反激式開關(guān)電源手機適配器實驗系統(tǒng)，并給出了變壓器、RCD吸收電路與開關(guān)器件選取的詳細設(shè)計方案，為電源工程師開發(fā)設(shè)計快充適配器提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 快充的原理與標(biāo)準(zhǔn)

電源向電池充電的實質(zhì)是電荷轉(zhuǎn)移的過程，其輸出電壓必須高于電池電壓。根據(jù)功率的定義，在電池電量一定的情況下，功率標(biāo)志著充電的速度。電池的快速充電分3種方式：① 充電電流不變，提高充電電壓；② 充電電壓不變，提高充電電流；③ 同時提高充電電流與充電電壓。高通快充2.0標(biāo)準(zhǔn)屬于方式③，它將電源的輸出電壓從5 V提升到9 V或12 V，同時將充電電流從1 A提高到1.67 A或1.25 A。為統(tǒng)籌市場已普遍使用的5 V/1 A適配器，同時兼顧快充功能，默認是5 V/2 A輸出，其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 快充2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

2 系統(tǒng)要求

手機作為全球通用的通信工具，其附屬品適配器的設(shè)計應(yīng)滿足各國的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的具體指標(biāo)如下：輸入交流電壓Vac為85～265 V；輸入頻率fin為47～63 Hz；輸出電壓電流Vo/Io為單路直流可調(diào)的5 V/2 A、9 V/1.67 A與12 V/1.25 A；輸出功率Po為15 W；最大工作頻率fs為89 kHz。

2 系統(tǒng)的工作原理

圖1為系統(tǒng)工作原理，主電路為典型的三繞組反激式變換電路[1-2]。原邊IC為IWAT公司的IW1780，主要功能是有序地控制MOS管Q1的導(dǎo)通與關(guān)斷：當(dāng)Q1導(dǎo)通時，變壓器T1的原邊電感Lp儲能；當(dāng)Q1關(guān)斷時，儲存在Lp中的能量被傳送到副邊。副邊IC為IWAT公司的IW626，其主要功能是依據(jù)D+與D-信號的電平變化，控制光耦OP1的導(dǎo)通與關(guān)斷，向IW1780的DLINK腳傳送數(shù)字脈沖信號串，控制Q1的通斷，調(diào)整輸出電壓。當(dāng)系統(tǒng)上電時，交流市電先流經(jīng)整流橋DH1得到直流電，再通過R1向電容C3進行充電，當(dāng)C3兩端電壓被充至IW1780的起機電壓時，IW1780開始工作，此后IW1780由輔助繞組Laux給供電，電壓維持在16 V左右。圖1中C1、C2為直流穩(wěn)壓大電解，與L1、L2共同構(gòu)成了系統(tǒng)的EMI濾波電路。主回路電流取樣電阻為R3，當(dāng)其取樣電壓超過門限值時將實現(xiàn)過流保護。R6、R7為分壓網(wǎng)絡(luò)，用以穩(wěn)定調(diào)節(jié)輔助繞組輸出電壓。R2、C6與D1為RCD吸收電路，用以吸收Q1關(guān)斷時產(chǎn)生的尖峰電壓，防止Q1過壓擊穿損壞。C4與C5為高頻濾波電容，用以穩(wěn)定輸出電壓。

3 系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 變壓器設(shè)計

1) 計算最大輸入功率。開關(guān)電源一般采用電流控制模式[3-5]，故設(shè)計時需選輸出電流最大的5 V/2 A作參照。假定變壓器效率η為0.9，設(shè)置最大輸出電流Io_max為額定值的1.2倍，則有

(1)

最大輸入功率Pin_max為

(2)

圖1 系統(tǒng)工作原理

2) 確定直流輸入電壓。假定C1與C2上的低頻紋波為40 V，則最小直流輸入電壓Vdc_min為

(3)

最大直流輸入電壓Vdc_max為交流高壓整流后的峰值電壓：

(4)

3) 計算匝比n1。假定系統(tǒng)工作于斷續(xù)模式[6]，取最大占空比Dmax=0.42，可計算出n1為

(5)

其中VF為輸出整流管導(dǎo)通壓降，取1 V。

4) 計算原邊各參量。原邊參量的計算包括初級電感量Lp、峰值電流Ip_peak、有效值電流Ip_rms。各參量計算依次如下：

(6)

(7)

(8)

5) 選擇變壓器磁芯。采用AP法[7-8]來選擇變壓器的磁芯，計算AP值為

(9)

其中：Ko=0.4為銅填充系數(shù)；Kc=1為鐵氧體磁芯填充系數(shù)；Bm=0.7*Bm(100℃)=2 100 Gs為飽和磁通密度；j=6 A/mm2為導(dǎo)線電流密度；考慮到繞線空間，選擇窗口面積大的磁芯，查表選擇EI22 鐵氧體PC40磁芯，AP=0.160 6 cm4，有效面積Ae=42 mm2,窗口面積Aw=38.4 mm2。

6) 計算初次級匝數(shù)與氣隙長度。初級匝數(shù)np可按式(10)計算。

(10)

取np為45匝，np與Lp按式(11)作飽和判斷，防止變壓器飽和，則有

(11)

故變壓器未飽和，即所選np合適，可按式(12)計算次級匝數(shù)ns。

(12)

取ns為5匝，則重新確定匝比n2=9。進而按式(13)計算出氣隙長度Lg。

(13)

7) 重新核算Dmax_1。為防止新的匝比n2導(dǎo)致Dmax大于0.5，使系統(tǒng)進入連續(xù)模式，按式(14)重新核算Dmax_1。

(14)

8) 重新計算Ip_rms_1與Is_rms_1。由于Dmax_1會導(dǎo)致Ip_rms與Is_rms發(fā)生變化，需按下列式子對其分別重新核算：

(15)

(16)

9) 線徑與輔助繞組匝數(shù)naux的計算。依據(jù)上述分析，可依次求得初級線徑Dp、次級線徑Ds與naux：

本文采用三明治饒法，考慮EI22磁芯槽寬為8.45 mm。初級用0.3 mm線徑的漆包線繞制2層，每層22.5匝，共45匝；次級用1 mm線徑的3層絕緣線繞制1層，共5匝；由于輔助繞組電流極小，故采用0.2 mm線徑雙股并繞一層，共15匝。

3.2 開關(guān)器件的選擇

系統(tǒng)中的主要開關(guān)器件有Mos管Q1與輸出整流管D4。當(dāng)系統(tǒng)處于12 V輸出時，其反激電壓高達117 V，在Vdc_max為375 V輸入下需對Q1的電壓應(yīng)力留有25%的裕量，故Q1電壓應(yīng)力應(yīng)不小于650 V。由變壓器計算可知，Ip_peak約為0.79 A。對Q1電流應(yīng)力考慮2.5倍的裕量，故Q1電流應(yīng)力應(yīng)不小于2 A，因此系統(tǒng)選用英飛凌公司的SS07N70 Mos管，它的耐壓為700 V，耐流為5 A，導(dǎo)通電阻低至900 mΩ。而D4將在原邊Mos導(dǎo)通期間承受最大的反向電壓應(yīng)力，約為VO+VF+Vdc_max/n2=55 V，且所受的電流應(yīng)力約為Ip_peak的n2倍，約為7 A，考慮一定的裕量，選取Diodes公司的SBR12U120P5肖特基二極管，其耐壓為120 V，耐流為12 A。

3.3 RCD吸收電路設(shè)計

變壓器因制造因素存在一定的漏感，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，電感Lp與漏感Llk同時存儲能量。Lp中能量可在Q1關(guān)斷時轉(zhuǎn)移至副邊輸出，而Llk中能量則無法進行釋放。若沒有RCD吸收電路，Llk中的能量將在Q1關(guān)斷瞬間以電弧的形式疊加在Q1上，致使Q1漏源電壓應(yīng)力急劇上升而導(dǎo)致?lián)p壞[9-10]。若存在RCD吸收電路，Llk中的大部分能量將在Q1關(guān)斷瞬間通過D1轉(zhuǎn)移到電容C6中，并被電阻R2吸收，從而極大減少Q(mào)1的電壓應(yīng)力。參數(shù)設(shè)計具體如下：

其中：VClamp為RCD的箝位電壓；VBR(DSS)為Mos管的擊穿電壓，取700 V；VOR為反激電壓，取117 V；Llk=9.5 μH，為實測漏感，約占電感的2%；ΔVClamp為鉗位電壓波動值，取0.1倍的VClamp；D1一般選用帶快速恢復(fù)的管子，本研究選用Diodes公司的BAV21WS。

4 實驗驗證

根據(jù)上述設(shè)計理論，研制了一臺滿足快充技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的15 W反激開關(guān)電源樣機，圖2為樣機實測波形。由圖2(a)可知：樣機滿足表1的快充2.0協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且輸出電壓Vo在5，9與12 V間切換時，過沖現(xiàn)象較小，表明樣機有良好的穩(wěn)壓功能與快速的響應(yīng)特性。由圖2(b)可知：輸出在全電壓范圍內(nèi)切換時有較小的紋波，且開關(guān)管的漏源電壓Vds最大約為600 V，表明文中設(shè)計的RCD緩沖電路可行。

圖2 樣機實測波形

5 結(jié)束語

基于快充技術(shù)的協(xié)議要求，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定的反激式開關(guān)電源。詳細分析了系統(tǒng)的工作原理，給出了變壓器、RCD吸收電路及系統(tǒng)開關(guān)器件參數(shù)的計算及選取過程，制作了實驗樣機，并進行了實際測試。實驗結(jié)果表明：所設(shè)計的電源系統(tǒng)具有元器件少、穩(wěn)壓性能優(yōu)良、環(huán)路響應(yīng)快、紋波小等優(yōu)點，能較好地滿足快充協(xié)議2.0技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可提升智能手機充電速度、縮短充電等待時間，能有效改善智能手機的續(xù)航能力。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Design of Switching Power Supply Based on Quick Charger Technology

YAN Chang-guo1, GONG Ren-xi2, CHEN Lian-gui1

(1.College of Engineering and Technology，Zunyi Normal College， Zunyi 563002，China;2.College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

In order to promote the smart-phone charging speed, to shorten the waiting time for charging and to improve their battery life, a new kind of flyback mode switching power supply was designed which can satisfy the quick charge technology standard. The design of the key circuit modules (such as RCD circuit) and devices (such as transformer, and switching devices) were described, and the schematic diagram of the system was given, and the prototype was developed, and a actual test of the system was made. The test results show that the power supply is characterized by small ripple, fast loop response and good steady. Also, it has many other advantages such as small in size, light in weight, less in the components used, and compact in circuit structure and so on.

quick charger technology；switching power supply；transformer； RCD absorbing circuit

2015-08-29 基金項目：貴州省科技廳資助項目(黔科合LH字[2015]7015號)

閻昌國(1987—),男,貴州遵義人,碩士研究生,主要從事新能源與電力電子研究。

閻昌國，龔仁喜，陳連貴.基于快充技術(shù)的開關(guān)電源設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015(12):138-142.

format：YAN Chang-guo, GONG Ren-xi, CHEN Lian-gui.Design of Switching Power Supply Based on Quick Charger Technology[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2015(12):138-142.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.12.023

TM615

A

1674-8425(2015)12-0138-05