閻昌國，龔仁喜，陳連貴

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

基于快充技術的開關電源設計

閻昌國1，龔仁喜2，陳連貴1

(1.遵義師范學院 工學院，貴州 遵義 563002； 2.廣西大學 電氣工程學院，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，設計了一種能滿足快充技術標準的反激式開關電源。描述了系統(tǒng)各關鍵電路模塊和器件(如變壓器、RCD吸收電路及開關器件)的設計過程，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。測試結果表明：該電源紋波小、環(huán)路響應快、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、電路結構緊湊等諸多優(yōu)點。

快充技術；開關電源；變壓器；RCD吸收電路

隨著信息化與智能化技術的發(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無法獲得突破的背景下，只能通過改善充電技術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標準，設計了一種反激式開關電源手機適配器實驗系統(tǒng)，并給出了變壓器、RCD吸收電路與開關器件選取的詳細設計方案，為電源工程師開發(fā)設計快充適配器提供了理論依據(jù)與技術支持。

1 快充的原理與標準

電源向電池充電的實質(zhì)是電荷轉移的過程，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標準屬于方式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)議標準如表1所示。

表1 快充2.0協(xié)議標準

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計應滿足各國的電網(wǎng)電壓標準。系統(tǒng)的具體指標如下：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的導通與關斷：當Q1導通時，變壓器T1的原邊電感Lp儲能；當Q1關斷時，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的導通與關斷，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共同構成了系統(tǒng)的EMI濾波電路。主回路電流取樣電阻為R3，當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，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)的設計

3.1 變壓器設計

1) 計算最大輸入功率。開關電源一般采用電流控制模式[3-5]，故設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 開關器件的選擇

系統(tǒng)中的主要開關器件有Mos管Q1與輸出整流管D4。當系統(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的電壓應力留有25%的裕量，故Q1電壓應力應不小于650 V。由變壓器計算可知，Ip_peak約為0.79 A。對Q1電流應力考慮2.5倍的裕量，故Q1電流應力應不小于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，導通電阻低至900 mΩ。而D4將在原邊Mos導通期間承受最大的反向電壓應力，約為VO+VF+Vdc_max/n2=55 V，且所受的電流應力約為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吸收電路設計

變壓器因制造因素存在一定的漏感，當Q1導通時，電感Lp與漏感Llk同時存儲能量。Lp中能量可在Q1關斷時轉移至副邊輸出，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關斷瞬間以電弧的形式疊加在Q1上，致使Q1漏源電壓應力急劇上升而導致?lián)p壞[9-10]。若存在RCD吸收電路，Llk中的大部分能量將在Q1關斷瞬間通過D1轉移到電容C6中，并被電阻R2吸收，從而極大減少Q(mào)1的電壓應力。參數(shù)設計具體如下：

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的管子，本研究選用Diodes公司的BAV21WS。

4 實驗驗證

根據(jù)上述設計理論，研制了一臺滿足快充技術標準的15 W反激開關電源樣機，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)議技術標準，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，且開關管的漏源電壓Vds最大約為600 V，表明文中設計的RCD緩沖電路可行。

圖2 樣機實測波形

5 結束語

基于快充技術的協(xié)議要求，設計了一種結構簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定的反激式開關電源。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。實驗結果表明：所設計的電源系統(tǒng)具有元器件少、穩(wěn)壓性能優(yōu)良、環(huán)路響應快、紋波小等優(yōu)點，能較好地滿足快充協(xié)議2.0技術標準的要求，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。

[1] 吳國平,楊仁剛,杜海江.一種基于NCP1014反激式開關電源設計研究[J].電力電子技術，2010,44(1)：78-80.

[2] 陳建萍,張文,鐘晨東,等.一種基于FAN6754A PWM反激式開關電源的設計與分析[J].電測與儀表，2011,48(10):84-88.

[3] PAPANIKOLAOU N P,TATAKIS E C.Active Voltage Clamp in Flyback Operating in CCM Mode under Wide Load Variation[J].Industrial Electronics on IEEE Transaction,2004,51(3):632-640.

[4] 高晗瓔,申娟,邢正非,等.電流型反激式開關電源的環(huán)路補償設計[J].電測與儀表，2013,50(11):102-105.

[5] PANOV Y,MILLAN M.Jovanovich.Small-signal Analysis and Control Design of Isolated Power Supply with Opto-coupler feedback [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(4):1037-1041.

[6] 孟建輝,劉文生.反激式變換器DCM與CCM的分析與比較[J].通信電源技術，2010,6(11):32-35.

[7] 黎敏,張久亮.反激式開關電源變壓器程序化設計[J].電測與儀表，2013,50(4):125-128.

[8] 李振森,徐軍明,丁紅斌，等.高功率因素反激式開關電源變壓器的設計[J].電力電子技術，2010,2(2):83-85.

[9] 劉樹林,曹曉生,馬一搏.RCD鉗位反激變換器的回饋能耗分析與設計考慮[J].中國電機工程學報，2010,33(11):9-15.

[10]宋鑫,馬小平,牛潔茹.RCD箝位反激變化器的研究[J].工礦自動化，2010,11(11):47-51.

(責任編輯 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.基于快充技術的開關電源設計[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，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