原创 能够满足30mW待机功耗要求的实用手机充电器解决方案

作者： James Sheen

做一个简单的数学计算，就很容易理解为什么政府机构和手机制造商突然积极致力于降低手机充电器的待机功耗了：全球手机用户超过40亿，而其中大多数 用户都习惯于即使在电池完全充满并拔掉手机之后，仍然让自己的充电器保持连接状态，因而会继续耗电。根据诺基亚的统计，移动设备使用期间用电量的三分之二 是在空载模式下消耗的。

降低温室效应气体排放量和化石燃料消耗量无疑对我们所有人都十分重要，但除此之外，手机充电器解决方案还必须具有切实的优势，如合理的成本、易于实现和确 定的可靠性。在这方面，飞兆半导体为设计人员提供了相关IC，这些产品利用该公司在集成和封装领域的专业能力，在单一器件上整合了一个PWM控制器、一个 MOSFET(如果需要)和多项保护功能，能够帮助制造商达到空载功耗不到30mW的5星级水平(只有业界平均功耗300mW的十分之一)以及±5%的输 出CV/CC容限，并且无需次级端控制电路。

严格的空载容限

现在的手机用户要求繁多，包括大尺寸的触摸屏、数百万像素的相机、蓝牙及802.11 WiFi连接、全面的网络浏览、电邮和数据库访问、GPS导航、音乐及视频下载，以及即将实现的移动数字电视。所有这些热门功能都需要使用电能。手机是经 由电池供电的，而电池可通过各种不同的电源进行充电，如汽车上的点烟器(电源转换器)、商业飞机座椅上的电源插座，还有笔记本电脑或台式机上的USB端 口。

当然，最普遍的充电电源还是壁式AC电源插座和通常被称为手机充电器的外置AC-DC适配器，然而，这类设备大多数都不是真正的充电器。充电电路其实位于手机内部。

手机充电时平均仅需要2 W的功率，而笔记本电脑需要近100W，这也是手机充电器比笔记本电脑充电器小得多的原因。尽管如此，由于全球手机用户多达40亿，而PC拥有者只有10 亿，故降低用户熟知情况中的待机功耗，即工程师熟知条件下的空载功耗，已成为当前的一项关键设计考虑事项。

这些关注的结果是采取一系列措施来提升效率和降低空载功耗的需求。其中最新最严格的是由全球前五大手机厂商提出的一项自愿性的充电器星级制协定，用以标识 在充电完成之后，充电器仍插在壁式插座上时的耗能量。该星级制从0星级开始，最高5星级。空载下额定待机功耗>0.5 W的充电器为0星级标签，待机功耗<0.03 W (30mW)的为5星级(见下表)。通过比较，大多数现有手机的待机功耗在150–300mW范围。
 

这一点十分重要，有必要再次重申：要想获得5星级标签，充电器必须达到30mW或更低的空载功耗(见下表)，这比能源之星(level V)的阈值低90%。

(Source: ENERGY STAR®)

严格的CV/CC容限为什么重要

目前，小型便携式设备的电池都选择锂离子技术。这种技术的优势在于其尺寸小、能量密度大、自放电小，而且在尺寸和形状方面具有极大的灵活性。锂离子电池一般适用于恒流/恒压(CC/CV)充电方式；每种充电模式的时间长短取决于电池的容量和充电器的性能。

在最基本的形式下，即电池电压很低时，充电器进入恒流(CC)充电模式；这时大部分充电能量都传送给电池。一旦电池充电充到浮动电压(电池断开，零电流时，电池电压通常在4.2V左右)，系统将开始减小充电电流，以保持所需的电压——此所谓“恒压”模式。

虽然实现起来比较简单，但给手机充电实际上需要对浮动电压区进行精确的控制，才能获得最大电池容量，并延长电池使用时间。不精确的电池电压调节可能会使电 池充电不足，导致电池容量大幅度减小。另一方面，如果充电电压过高，电池的循环寿命会大大缩短。锂离子电池的过度充电还可能造成设备的灾难性故障。

满足30mW目标

对于设计工程师来说，门槛突然被拔高了。不过，不妨回想一下一年多前，那时的情形与现在似乎并无二致。当时，手机电源供应商设计出的恒压/恒流(CC/ CV)适配器/充电器大受赞誉。在待机模式下，这些适配器/充电器在120 VAC 时功耗为75mW， 240 VAC时为90 mW，都满足美国环保署能源之星规范中针对这两种输入电压制定的0.5W的要求。

虽然30mW是一项极具挑战性的要求，不过飞兆半导体的第三代PSR PWM产品仍然能够轻松满足。飞兆半导体最新推出的FSEZ1317器件集成了一个700 V 功率 MOSFET (1A)，可节省空间和成本。其CV/CC容限从±10%紧缩至± 5%，同时，外部电阻和电容的数量从12个减少到了5个(3个电阻，2个电容)。

这种PSR PWM 控制器可实现非常精确的 CC/CV 调节，且无需其它解决方案所需的次极端电压或电流反馈电路。对设计人员而言，在电池充电器应用中采用次极端反馈电路来进行CV/CC输出调节的传统方案已 不再有吸引力，因为其成本高，器件数目多，这意味着需要更多的板上空间和更大的充电器。此外，由于次级端元件会产生功耗，能效也受到不利影响。

对于需要外部MOSFET的设计，工程师可选择飞兆半导体的FAN103 PSR PWM控制器。在众多解决方案供应商中，只有飞兆半导体提供有独立式＋集成式MOSFET PWM控制器选择。

飞兆半导体的IC产品拥有节能性能的关键原因在于它采用了高压(HV)启动电路、专有绿色控制模式，以及专门开发的TRUECURRENT™技术，后者利 用PSR控制反激式转换器来调节输出电流，无需次级反馈电路。该控制器使用模拟信号处理和采样技术，通过变压器的初级端辅助绕组来调节输出电压/电流。利 用这种方案，充电器能够获得比传统电路设计更小的外形尺寸、更低的待机功耗和更高的效率。