AP3700的充電器系統(tǒng)解決方案

    目前，手機(jī)充電器有三類主流方案，即集成PWM控制器方案、RCC方案和分立PWM控制器方案。圖1是集成PWM控制器方案的典型應(yīng)用圖，變壓器輸入側(cè)器件數(shù)量少，線路簡(jiǎn)單；輸出側(cè)則是由運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)組成的恒壓恒流控制。由于功率器件和PWM器件集成在一個(gè)封裝內(nèi)，故散熱難、整體成本高。

　　
圖1、集成PWM控制器的典型線路

　　圖2是自激振蕩式（RCC）充電器方案，特點(diǎn)是無專門的控制器來實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制，變壓器和電容電阻等元件決定了控制方式的可靠性。變壓器次邊線路與集成PWM控制器方案相同，故不再給出詳細(xì)線路。

　　RCC方案看上去最簡(jiǎn)單，但其實(shí)電性能不可靠，寬電壓范圍工作困難，失效率高，批量生產(chǎn)時(shí)的良率低。為了可靠起振，功率器件也必須選擇價(jià)格較高的MOSFET。RCC方案看似簡(jiǎn)單其實(shí)很麻煩。

　　
圖2、RCC充電器的典型線路

　　分立PWM控制器方案也是被廣泛應(yīng)用于充電器中。傳統(tǒng)的做法是分立的PWM控制器配MOSFET，特點(diǎn)是元件選擇靈活、線路多種多樣，性能良好，因而被很多人采用。AP3700充電器也屬于分立PWM控制器方案，但該方案采用特殊的驅(qū)動(dòng)方式，目的是用普通的NPN 
高壓三極管取代了昂貴的MOSFET，降低了總成本。

AP3700充電器方案描述

　　AP3700采用BCD公司的CMOS工藝制成，是射極驅(qū)動(dòng)方式的電流型PWM控制器，驅(qū)動(dòng)普通的高壓NPN三極管。該控制器只有三個(gè)引腳，即電源端VCC、脈沖輸出端OUT和接地端GND，電壓反饋輸入和電源端VCC合用一只引腳，提高了集成度。抖頻技術(shù)降低了系統(tǒng)EMI，使得不需要Y電容仍容易滿足電磁兼容要求。跳頻技術(shù)又降低了空載條件下的輸入功率。

　　圖3是AP3700的充電器方案。AP3700（U1）的脈沖輸出腳直接驅(qū)動(dòng)三極管Q1的發(fā)射極，電網(wǎng)上電后，U1的OUT腳首先從Q1的發(fā)射極獲得能量，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。C6、R7和C5是環(huán)路補(bǔ)償元件，再配合恒壓恒流元件U2實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載端電壓和電流的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。整體方案具有最好的性能，諸如待機(jī)功率、EMI、轉(zhuǎn)換效率、動(dòng)態(tài)特性等性能達(dá)到了高性能充電器的指標(biāo)要求。另外，該方案的器件數(shù)量不多，三極管、電容電阻等價(jià)格便宜，因而這是一種較佳性價(jià)比的充電器方案。

　　
表1、AP3700充電器方案的核心器件列表 

　　
圖3、AP3700充電器方的原理圖、PCB演示板和實(shí)物圖

測(cè)試結(jié)果

　　這里以5V/1A充電器系統(tǒng)為例，介紹主要測(cè)試結(jié)果。

　　（1）空載輸入功率低

　　輕載和空載時(shí)，控制器從正常的PWM方式自動(dòng)切換到“Skip cycle”模式，見圖4。在230V電網(wǎng)電壓范圍內(nèi)空載輸入功率小于0.15W，滿足CEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值0.3W，見圖5。

　　
圖4、空載/230VAC時(shí)的PWM波形

　　
圖5、空載時(shí)的輸入功率與線性電壓

　　（2）電源轉(zhuǎn)換效率高

　　電源能效標(biāo)準(zhǔn)很多很亂，非強(qiáng)制性的主要有美國(guó)的“能源之星”和歐洲的“藍(lán)色天使”標(biāo)準(zhǔn)；更為苛刻的則是美國(guó)加州制定的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)—CEC標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了電源平均效率必須滿足公式0.5+0.09lnPo，而平均效率是0.25Po、0.5Po、0.75Po和Po條件下的加權(quán)值。越來越多的制造商都采納CEC標(biāo)準(zhǔn)，提升產(chǎn)品的檔次。

　　AP3700的啟動(dòng)電流和工作電流均很低，分別是0.22mA和0.45mA；電源端工作電壓VCC低（3.65V~5.25V），因此啟動(dòng)電阻損耗和控制器損耗都很低，低于0.1W。充電器輸出端的主要損耗是限流電阻R14產(chǎn)生的，電流采樣端電壓Vsense固定為0.2V，輸出1A負(fù)載電流時(shí)損耗為0.2W。AP3700的系統(tǒng)方案很容易滿足CEC標(biāo)準(zhǔn)。

    （3）充電特性理想

　　圖6給出了充電特性曲線，優(yōu)點(diǎn)突出：（3.1） 滿載-空載的負(fù)載調(diào)整率好，~0.5%; （3.2） 短路電流小，最大電流就是恒流充電電流；（3.3） 恒流范圍寬，1.5V~5.05V。

　　
圖6、AP3700的充電特性曲線

    （4）瞬態(tài)特性好

　　AP3700采用電流模式控制，且始終保持?jǐn)嗬m(xù)模式運(yùn)行，這都使得輸入-輸出的傳輸函數(shù)簡(jiǎn)單，因而瞬態(tài)響應(yīng)速度快、電壓過沖小。圖7是是負(fù)載動(dòng)態(tài)特性，過沖電壓350mV。

　　
圖7、AP3700的負(fù)載動(dòng)態(tài)特性

    （5）器件溫度可靠

　　這里的操作完全是按照嚴(yán)格的測(cè)試程序，PCB板安裝到標(biāo)準(zhǔn)的充電器外殼里，見圖3。在外殼環(huán)境溫度為40℃時(shí)進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，通過探頭測(cè)試幾個(gè)核心器件的表面溫度，見表2。

　　
表2、帶標(biāo)準(zhǔn)外殼時(shí)的核心器件溫度

    可以看出，AP3700的表面溫度低，功率器件APT13003和APD240的表面溫度也在正常規(guī)范內(nèi)。

　　不同方案比較

　　采用TO-92封裝的AP3700方案，看上去沒有集成PWM控制器解決方案或自激振蕩RCC方案簡(jiǎn)潔，但AP3700方案決不是低端方案，相信上述測(cè)試結(jié)果已經(jīng)給人一目了然的印象。下面再作詳細(xì)對(duì)比，見表3。

　　
表3、幾種常見充電器方案的綜合比較

　　可見，AP3700方案具有低價(jià)格、高性能和易生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。