一个优异的手机平板充电器方案——英飞凌REF_15W_CE1K0电源

jiangxianjun · 发表于 2015-1-14 08:24:45

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[paragraph]随着智能时代的来临，人们在实际生活中对于智能手机、平板电脑等移动设备的使用需求越来越大，然而不可回避的是，受制于目前电池技术发展的瓶颈，对这些设备进行频繁的充电也成了我们的“必修课”之一。毫不夸张的说，充电器已成为我们生活中必不可少的一个角色存在。然而，一款优异的电源适配器，不仅仅需要能够帮助我们进行快速的充电，最好还可以适应不同的电力环境（110Vac、220Vac等）、具有较高的转换效率（节能）、极低的待机功耗等特点，更重要的是，它要保证绝对的安全。
应于这样一种市场诉求，许多半导体厂商都有推出自己的小功率电源适配器解决方案，此次，爱板网就拿到了英飞凌推出了的两款15W 5V的电源适配器参考方案评估板REF-15W_CE1K0以及REF-15W_CE1K5，这两款板卡的区别不是太大，我们将在文章最后做一个简要对比，本文主要是基于REF-15W_CE1K0参考板评测（下文中将以简写CE1K0代替）。
REF-15W_CE1K0电源评估板
第一眼看到REF-15W_CE1K0，说是评估板，倒不如说是一个电源模块，整个板卡的大小仅有45mm*31mm*16mm，差不多是爱板网名片的1/3大小，十分小巧，另外，从CE1K0 USB接口输出端的固态电容也能看到板卡用料十足，整个方案设计偏向于中高端的层次。

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从REF-15W_CE1K0评估板的资料中可以初步了解到板卡的资源情况，其输入端主要的控制器以及开关都是搭载了英飞凌自家的电子元件，包括准谐振PWM控制器ICE2QS03G、CoolMOS IPS65R1K0CE，而在输出端，更是搭载了同步整流电路，基于Ti UCC24610以及英飞凌OptiMOS BSC067N06LS3 G的组合，进一步提高转换效率。通过下方的原理图我们可以清楚的了解整个电源模块的构造，这是一个准谐振反激式结构的开关电源，可适用于目前主流的小功率开关电源设计。

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小知识：
反激式开关电源：是目前主流的小功率开关电源方案，具有电路简单，转换效率高等特点。其工作原理是在开关关断的时候，变压器向输出端提供能量。
准谐振开关电源：是软开关中的一种，利用准谐振现象，使电子开关器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了零电压或零电流的条件。准谐振的优势在于效率和EMI会比较好。软开关是相对于硬开关而言的，解决了硬开关中的开关损耗、感性关断、容性开通、电磁干扰等问题。（零电压解决容性开通问题、零电流解决感性关断问题）[/blockquote]OK，了解了REF-15W_CE1K0电源模块的基本构造，我们再来细看板卡中各个部分电路的组成以及工作原理。

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REF-15W_CE1K0电源评估板特性：

[li]85Vac~265Vac输入[/li][li]15W@5V输出，最大输出电流为3A[/li][li]准谐振反激式开关电源技术[/li][li]开关频率：55kHz~110kHz[/li][li]待机功耗：<40mW[/li]我们可以看到，CE1K0拥有非常宽广的输入电压范围，基本上可以全球适用，除了支持3A的峰值电流输出外，评估板的待机功耗又是一个让人惊叹的地方，几乎是一个普通功率仪器测不到的数值。
为了进一步区分电路的构造，我们将CE1K0评估板RM6型变压器磁芯的前后两端一次侧电路（Primary）以及二次侧电路（Secondary）分开来理解，正如上图中板卡背面用虚线隔开的界限。

Primary电路部分

在一次侧电路部分，CE1K0评估板主要以英飞凌准谐振PWM控制器ICE2QS03G以及高压CoolMOS IPS65R1K0CE组成的控制电路为主，输入交流电压首先通过标示为L以及N符号的两个接口端输入，而后会经过用于电路过流保护的保险丝、桥式整流电路、Pi滤波网络等，最后交由ICE2QS03G以及CoolMOS IPS65R1K0CE组成的控制电路，在这里，Pi滤波电路还具有减少差模电路上传导EMI的作用。
ICE2QS03G器件为英飞凌的第二代准谐振PWM控制器，采用PG-DSO-8封装，8功能引脚如下图所示，引脚定义可以参考ICE2QS03G的官方datasheet，这里不再一一说明。

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在官方的规格书中，同样介绍了准谐振PWM控制器ICE2QS03G的众多特性，这里就挑几个重要的亮点来说：

[li]准谐振工作[/li][li]数字降频[/li][li]内部集成一个500V的启动单元[/li][li]主动突发模式[/li]其中，数字降频功能会让频率随负载下降而下降，直到负载极低时仍可实现准谐振操作，因此与传统解决方案相比，系统平均效率得到显著提高；而内部集成的一个 500V 耗尽型启动元件可以通过省略外部启动电阻器实现低待机功耗。
主动突发操作模式则是ICE2QS03G另一个突出的特点，众所周知，目前大家使用的充电器产品，通常在闲置的情况下也是插在电源插座上的，这就要求现有的充电器对于待机功耗能有非常严格的控制，降低不必要的能耗。而ICE2QS03G在极低负载情况下，IC会进入主动突发模式运行，使输入功率降至最小值，实现了待机操作模式下的超低功耗，还可以降低输出电压的纹波，不过进入主动突发模式必须满足3个条件：

[li]调节电压低于 VEB(1.25V) 的阈值，相应地，检流电阻器两端的峰值电压为 0.17V[/li][li]加减计数器达到最大值 7[/li][li]上述两个条件必须满足一定时间 (24ms)[/li]除此之外，ICE2QS03G还具有众多的保护功能，如过压/欠压/过载/开环/过热等保护单元，可使电源系统在发生故障时得到全面保护，可以说，这是一个既可以保证效率、低待机功耗，又能有安全保障的准谐振PWM控制器。
和ICE2QS03G PWM控制器组合的开关MOS管也是一侧级(Primary)电路的亮点，CE1K0采用的高压MOS管为英飞凌的CoolMOS CE系列，型号为 IPS65R1K0CE，具有非常低开关损耗Q[sub]g[/sub]，可以进一步提高开关电源的转换效率，下表则为CoolMOS管 IPS65R1K0CE的一些电气指标：

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注：表格中的参数是MOS管选型的重要依据，V[sub]DS[/sub]、I[sub]D[/sub]代表电路中的电压与电流可容许的最大值，但是在实际设计中应该留有余量。R[sub]DS[/sub]是MOS管的通态电阻，影响开关电源的转换效率，Q[sub]g[/sub]是指MOS管结电容，影响MOS管开关的损耗，开关频率越大，Q[sub]g[/sub]的参数就越加重要。[/blockquote]

Secondary电路部分

再来看经过变压器后的二次侧电路部分（Secondary），这部分电路主要由一个同步整流输出电路以及反馈网络构成。

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5V/3A的同步整流输出电路是基于Ti UCC24610以及英飞凌OptiMOS BSC067N06LS3 G。Ti UCC24610是一款优异的二次侧同步整流控制器，支持峰值3A的输出电流，而英飞凌的OptiMOS系列是中低压系列的MOS管，具有极低的通态电阻，可以作为开关电源理想的输出端MOS管，BSC067N06LS3 G具体参数如下

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二次侧电路采用的这种Ti UCC24610控制器和英飞凌MOSFET的组合近乎模拟了一个理想的二极管整流器，提高了整个电源评估板的效率。
在二次侧电路的反馈网络部分，分压电阻将输出端的分压电压送入精密稳压源TL431与参考电压比较，然后再通过光电耦合器转化成电流信号反馈到一次侧的准谐振PWM控制器ICE2QS03G的反馈引脚FB，这就构成一个“循环体系”，不断调节输出5V电压。

不得不说，CE1K0是一个非常不错的小功率电源适配器参考设计方案，不但设计小巧，用料十足，更融合了时下开关电源的宽电压输入、准谐振工作方式、主动突发模式、输出端采用同步整流等技术特点，是一款低功耗、高效率的准谐振反激式开关电源。
看到CE1K0不错的表现，那么问题来了，和爱板网拿到的英飞凌另一款REF-15W_CE1K5电源评估板相比，两个板卡有什么不同呢？
经过仔细对比，发现两块电源评估板采主要的区别在于一次侧的高压CoolMOS 场效应管型号的不同，见下图

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CE1K0采用了英飞凌CoolMOS系列型号为IPS65R1K0CE的高压MOS管，而CE1K5则采用了IP65R1K5CE的型号，此规格的MOS管在通态电阻R[sub]DS[/sub]、结电容存储电荷量Q[sub]g[/sub]、I[sub]D[/sub]、E[sub]OSS[/sub]（热耗能，数值越小越好）等参数上有所改变，具体数值参考下表，工程师可以根据自己的设计需求选择相应的开关MOS管。

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另外，不同的开关MOS管的选择，也使这两个评估板的开关频率有所不同：

[li]CE1K0：开关频率55kHz~110kHz[/li][li]CE1K5：开关频率47kHz~50kHz[/li]REF-15W_CE1K0电源评估板上电试用
OK，在了解了英飞凌两块电源评估板后，不妨来实际测试下这两块板卡的电源输出质量到底如何。由于评估板是85Vac~265Vac的高压输入，在测试中一定要注意安全，当然，必要的测试工具是不可或缺的：

[li]TDGC2-1KVA单相调压器 *1[/li][li]电子负载 *1[/li][li]万用表 *1[/li][li]示波器 *1[/li][li]CE1K0评估板一块，连接导线若干[/li]由于CE1K0评估板采用的是USB接口的输出，那就顺其自然，这里就直接用废弃的USB线引出输出，如下如所示，我们在输出接口上接上了万用表（用于测试输出电压）、电子负载（为输出提供负载电流）、示波器（用于测试输出电压纹波）。

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评估板的宽电压输入也增加了测试的项目，依照不同的电源环境，我们分别测试了CE1K0、CE1K5两块电源评估板在85Vac、110Vac、220Vac、265Vac输入条件下0A、1A、2A、3A负载电流情况下的输出电压以及纹波情况。

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测试的结果如下表所示，由于测试条件的限制，结果可能存在些许偏差，仅供参考。

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评估板的效率、EMI等情况由于缺少仪器设备无法进行测试，不过从英飞凌提供的官方文档中可以看到评估板的平均转换效率高达88%，这对于这种宽电压输入的适配器方案来说，是非常不错的，另外，从板卡的规格书上也可以看到EMI的控制也是非常理想，无论是传导增量的峰值还是平均值都还有一定的裕量。