基于快充技术的开关电源设计

阎昌国，龚仁喜，陈连贵

(1.遵义师范学院 工学院，贵州 遵义 563002； 2.广西大学 电气工程学院，南宁 530004)

基于快充技术的开关电源设计

阎昌国1，龚仁喜2，陈连贵1

(1.遵义师范学院 工学院，贵州 遵义 563002； 2.广西大学 电气工程学院，南宁 530004)

为提升智能手机充电速度，缩短充电等待时间，改善目前智能手机续航能力低下的问题，设计了一种能满足快充技术标准的反激式开关电源。描述了系统各关键电路模块和器件(如变压器、RCD吸收电路及开关器件)的设计过程，给出了系统电路原理图，制作了实验样机，并对实验样机进行实际测试。测试结果表明：该电源纹波小、环路响应快、稳压性能优良。同时该系统具有体积小、重量轻、使用元器件少、电路结构紧凑等诸多优点。

快充技术；开关电源；变压器；RCD吸收电路

随着信息化与智能化技术的发展，手机已成为人们日常生活中不可缺少的信息交流平台和工具。但迄今为止，人们通常使用的智能手机耗电快、续航能力差，且现有的充电器充电速度慢，这无疑成为影响其优良性能发挥的瓶颈。为改善智能手机续航能力低下的问题，在电池容量无法增大与电池技术无法获得突破的背景下，只能通过改善充电技术来提升智能手机充电速度、缩短充电等待时间，进而改善其续航能力。为此，本文依据高通公司提出的快充技术标准，设计了一种反激式开关电源手机适配器实验系统，并给出了变压器、RCD吸收电路与开关器件选取的详细设计方案，为电源工程师开发设计快充适配器提供了理论依据与技术支持。

1 快充的原理与标准

电源向电池充电的实质是电荷转移的过程，其输出电压必须高于电池电压。根据功率的定义，在电池电量一定的情况下，功率标志着充电的速度。电池的快速充电分3种方式：① 充电电流不变，提高充电电压；② 充电电压不变，提高充电电流；③ 同时提高充电电流与充电电压。高通快充2.0标准属于方式③，它将电源的输出电压从5 V提升到9 V或12 V，同时将充电电流从1 A提高到1.67 A或1.25 A。为统筹市场已普遍使用的5 V/1 A适配器，同时兼顾快充功能，默认是5 V/2 A输出，其协议标准如表1所示。

表1 快充2.0协议标准

2 系统要求

手机作为全球通用的通信工具，其附属品适配器的设计应满足各国的电网电压标准。系统的具体指标如下：输入交流电压Vac为85～265 V；输入频率fin为47～63 Hz；输出电压电流Vo/Io为单路直流可调的5 V/2 A、9 V/1.67 A与12 V/1.25 A；输出功率Po为15 W；最大工作频率fs为89 kHz。

2 系统的工作原理

图1为系统工作原理，主电路为典型的三绕组反激式变换电路[1-2]。原边IC为IWAT公司的IW1780，主要功能是有序地控制MOS管Q1的导通与关断：当Q1导通时，变压器T1的原边电感Lp储能；当Q1关断时，储存在Lp中的能量被传送到副边。副边IC为IWAT公司的IW626，其主要功能是依据D+与D-信号的电平变化，控制光耦OP1的导通与关断，向IW1780的DLINK脚传送数字脉冲信号串，控制Q1的通断，调整输出电压。当系统上电时，交流市电先流经整流桥DH1得到直流电，再通过R1向电容C3进行充电，当C3两端电压被充至IW1780的起机电压时，IW1780开始工作，此后IW1780由辅助绕组Laux给供电，电压维持在16 V左右。图1中C1、C2为直流稳压大电解，与L1、L2共同构成了系统的EMI滤波电路。主回路电流取样电阻为R3，当其取样电压超过门限值时将实现过流保护。R6、R7为分压网络，用以稳定调节辅助绕组输出电压。R2、C6与D1为RCD吸收电路，用以吸收Q1关断时产生的尖峰电压，防止Q1过压击穿损坏。C4与C5为高频滤波电容，用以稳定输出电压。

3 系统的设计

3.1 变压器设计

1) 计算最大输入功率。开关电源一般采用电流控制模式[3-5]，故设计时需选输出电流最大的5 V/2 A作参照。假定变压器效率η为0.9，设置最大输出电流Io_max为额定值的1.2倍，则有

(1)

最大输入功率Pin_max为

(2)

图1 系统工作原理

2) 确定直流输入电压。假定C1与C2上的低频纹波为40 V，则最小直流输入电压Vdc_min为

(3)

最大直流输入电压Vdc_max为交流高压整流后的峰值电压：

(4)

3) 计算匝比n1。假定系统工作于断续模式[6]，取最大占空比Dmax=0.42，可计算出n1为

(5)

其中VF为输出整流管导通压降，取1 V。

4) 计算原边各参量。原边参量的计算包括初级电感量Lp、峰值电流Ip_peak、有效值电流Ip_rms。各参量计算依次如下：

(6)

(7)

(8)

5) 选择变压器磁芯。采用AP法[7-8]来选择变压器的磁芯，计算AP值为

(9)

其中：Ko=0.4为铜填充系数；Kc=1为铁氧体磁芯填充系数；Bm=0.7*Bm(100℃)=2 100 Gs为饱和磁通密度；j=6 A/mm2为导线电流密度；考虑到绕线空间，选择窗口面积大的磁芯，查表选择EI22 铁氧体PC40磁芯，AP=0.160 6 cm4，有效面积Ae=42 mm2,窗口面积Aw=38.4 mm2。

6) 计算初次级匝数与气隙长度。初级匝数np可按式(10)计算。

(10)

取np为45匝，np与Lp按式(11)作饱和判断，防止变压器饱和，则有

(11)

故变压器未饱和，即所选np合适，可按式(12)计算次级匝数ns。

(12)

取ns为5匝，则重新确定匝比n2=9。进而按式(13)计算出气隙长度Lg。

(13)

7) 重新核算Dmax_1。为防止新的匝比n2导致Dmax大于0.5，使系统进入连续模式，按式(14)重新核算Dmax_1。

(14)

8) 重新计算Ip_rms_1与Is_rms_1。由于Dmax_1会导致Ip_rms与Is_rms发生变化，需按下列式子对其分别重新核算：

(15)

(16)

9) 线径与辅助绕组匝数naux的计算。依据上述分析，可依次求得初级线径Dp、次级线径Ds与naux：

本文采用三明治饶法，考虑EI22磁芯槽宽为8.45 mm。初级用0.3 mm线径的漆包线绕制2层，每层22.5匝，共45匝；次级用1 mm线径的3层绝缘线绕制1层，共5匝；由于辅助绕组电流极小，故采用0.2 mm线径双股并绕一层，共15匝。

3.2 开关器件的选择

系统中的主要开关器件有Mos管Q1与输出整流管D4。当系统处于12 V输出时，其反激电压高达117 V，在Vdc_max为375 V输入下需对Q1的电压应力留有25%的裕量，故Q1电压应力应不小于650 V。由变压器计算可知，Ip_peak约为0.79 A。对Q1电流应力考虑2.5倍的裕量，故Q1电流应力应不小于2 A，因此系统选用英飞凌公司的SS07N70 Mos管，它的耐压为700 V，耐流为5 A，导通电阻低至900 mΩ。而D4将在原边Mos导通期间承受最大的反向电压应力，约为VO+VF+Vdc_max/n2=55 V，且所受的电流应力约为Ip_peak的n2倍，约为7 A，考虑一定的裕量，选取Diodes公司的SBR12U120P5肖特基二极管，其耐压为120 V，耐流为12 A。

3.3 RCD吸收电路设计

变压器因制造因素存在一定的漏感，当Q1导通时，电感Lp与漏感Llk同时存储能量。Lp中能量可在Q1关断时转移至副边输出，而Llk中能量则无法进行释放。若没有RCD吸收电路，Llk中的能量将在Q1关断瞬间以电弧的形式叠加在Q1上，致使Q1漏源电压应力急剧上升而导致损坏[9-10]。若存在RCD吸收电路，Llk中的大部分能量将在Q1关断瞬间通过D1转移到电容C6中，并被电阻R2吸收，从而极大减少Q1的电压应力。参数设计具体如下：

其中：VClamp为RCD的箝位电压；VBR(DSS)为Mos管的击穿电压，取700 V；VOR为反激电压，取117 V；Llk=9.5 μH，为实测漏感，约占电感的2%；ΔVClamp为钳位电压波动值，取0.1倍的VClamp；D1一般选用带快速恢复的管子，本研究选用Diodes公司的BAV21WS。

4 实验验证

根据上述设计理论，研制了一台满足快充技术标准的15 W反激开关电源样机，图2为样机实测波形。由图2(a)可知：样机满足表1的快充2.0协议技术标准，且输出电压Vo在5，9与12 V间切换时，过冲现象较小，表明样机有良好的稳压功能与快速的响应特性。由图2(b)可知：输出在全电压范围内切换时有较小的纹波，且开关管的漏源电压Vds最大约为600 V，表明文中设计的RCD缓冲电路可行。

图2 样机实测波形

5 结束语

基于快充技术的协议要求，设计了一种结构简单、成本低廉、性能稳定的反激式开关电源。详细分析了系统的工作原理，给出了变压器、RCD吸收电路及系统开关器件参数的计算及选取过程，制作了实验样机，并进行了实际测试。实验结果表明：所设计的电源系统具有元器件少、稳压性能优良、环路响应快、纹波小等优点，能较好地满足快充协议2.0技术标准的要求，可提升智能手机充电速度、缩短充电等待时间，能有效改善智能手机的续航能力。

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(责任编辑 杨黎丽)

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 基金项目：贵州省科技厅资助项目(黔科合LH字[2015]7015号)

阎昌国(1987—),男,贵州遵义人,硕士研究生,主要从事新能源与电力电子研究。

阎昌国，龚仁喜，陈连贵.基于快充技术的开关电源设计[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，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