电源：低成本无绳电话适配器设计

2008年10月17日12:20:48 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：CamSemi高级应用工程师Mahesh de Silva博士

为了使附件得到美国公共交换电话网的批准，终端设备必须符合一系列要求，这就是FCC Part 68。FCC Part 68中的其他许多要求都规定了电磁辐射（EMI）和浪涌免疫性的极限值。TIA-968-A文件中陈述的FCC Part 68要求是由电信行业协会制定的。

用于无绳电话的适配器通常不需要满足严格的规定要求，而且因为电话是因国家而异的，所以可以采用了单电源输入。因此，电源频率变压器或“线性”离线式转换器拓扑结构是一个经常选用的解决方案。不过，线性电源效率很低，且可能出现比较高的空载功耗。它们无法经济地满足有关外置电源适配器的新的规定和标准，如能源之星2.0和欧盟行为准则（EU Code of Conduct）。

线性无绳电话适配器的典型平均效率约为50%，而将于2008年11月强制执行的提议中的能源之星V2.0要求是达到73.5%。而且，线性适配器的典型空载功耗大约为800mW，难以满足标准所要求的300mW的限制。由于全球商品价格，特别是铜和钢材价格的急剧上涨，使体积庞大的线性适配器变得越来越昂贵。

FCC Part 68要求

为了实现FCC Part 68的要求，终端设备必须满足阻止信号干扰或人身伤害的技术标准。用于连接电话网络的终端设备的技术要求，即标准TIA-968 A规定了以下测试和过程：

→环境仿真

→漏电流限制

→危险电压限制

→信号功率限制

→横向平衡限制

→挂机阻抗限制

→计费保护

通常需要执行连接无绳电话的离线式电源的若干子测试（sub test）来满足以下要求：

→4.2.2条款——A型电话线路浪涌

→4.2.3条款——B型电话线路浪涌

→4.2.4条款——电源线浪涌

→4.5.4条款——频率在4kHz以下的纵向电压

→4.5.5条款——4kHz至30MHz频率范围的电压

→4.6.2条款——横向平衡

必要的浪涌要求比较容易用标准的浪涌抑制器来满足，如保险丝电阻器和MOV（金属氧化物变阻器）。然而，要满足信号功率限制就比较困难了，而且要依赖于电源拓扑结构。SMPS拓扑结构可产生大量的纵向或共模辐射，因此难以满足FCC Part 68的纵向电压要求，以下将对此加以解释。

用反激式开关转换器替代线性电源

反激式开关拓扑结构是一个取代线性电源的非常显而易见的候选者，因为它可以提供更高的效率、更低的待机功耗和其他功能，如过压、过流和过温保护。它们可以采用分立器件方式（如自激式转换器，RCC）或与控制器IC一起执行，可以用于很宽的范围。反激式开关拓扑结构可以实现严紧的负载和输入电压调节率，而无需在设备中使用二次稳压电路。

不过，反激式开关拓扑结构会受到较高材料成本的影响，而且需要更长的设计时间，这降低了其作为一种线性替代方案在针对具体地域市场的低成本、大批量应用中吸引力。而且，快速开关瞬变会引起显著的共模传导辐射，妨碍电话信号且难以符合FCC part 68要求。为了解决这个问题，经常需要使用昂贵的电磁干扰抑制滤波器。反激式控制器IC经常可以实现减少电磁干扰的策略，如开关频率抖动处理或对频域中传播的噪声能量进行调制，同时保持系统的整体效率。不过，即使利用广泛的滤波和先进的控制技术，要实现FCC Part 68的纵向电压要求可能也是极其困难的。这在12kHz至266kHz频带尤为明显，SMPS通常都是在这个频带范围工作的。基本的开关频率是通过寄生电容从变压器的初级到次级耦合而来的共模辐射的主要来源。反激式开关的电压波形接近方波的形状也可能在12kHz至266kHz频带引起大量的谐波噪声。

用于无绳电话适配器的谐振正激式转换器

谐振正激式拓扑结构为替代线性适配器的反激式适配器提供了一种商业可行的替代方案。它可以解决降低材料成本，同时满足较新效率目标和空载功耗要求方面的问题。谐振正激方法可以通过以近零电压和电流开关来实现高效率，进而较大限度地降低开关损耗。而且，由于其正弦开关波形，它产生的EMI很小，而且可以减少或无需使用EMI滤波元件。但是，直到较近，由于固有的控制难度，谐振正激式拓扑结构还没有应用于小功率消费应用当中。

CamSemi开发的新型单开关谐振非连续正激式转换器（RDFC）拓扑结构和控制器IC可实现反激式转换器的空载性能、保护、安全和尺寸方面的优势。重要的是，对于无绳电话适配器和其他EMI敏感的应用，如音频及调制解调器/路由器电源，这种拓扑结构借助其谐振开关自然具备了低EMI的特点。它还可以实现满足能源之星2.0充足裕量的效率。

当开关期间没有能量存储在正激模式变压器内时，正激式转换器拓扑结构也有助于减小变压器铁芯的尺寸。这本身就具备了一种成本优势，而且无需使用次级续流二极管和扼流圈，使这个解决方案具有了针对成本敏感应用的更大的商业吸引力。

图1所示为RDFC拓扑结构的主要元件。经C_in平滑的输入端整流的交流电压施加在正向模式变压器上。当初级开关电路闭合时，在相同的导电相期间便开始了从初级到次级的功率传输。通过初级晶体管的电流波形由通过漏感和磁化电感的电流组成。漏电流分量通常处于支配地位，而且出现在次级二极管两端。

图1. RDFC拓扑结构的主要元件，其中的谐振电路由一个作为初级开关的BJT和谐振电容器C_res组成。谐振电容器C_res 与变压器磁化电感进行“谐振”，以实现全谐振开关。

当初级开关电路为开路时，通过变压器的总电流转移到谐振电容C_res，后者包括变压器绕组电容和初级晶体管输出电容。谐振电容形成一个带有变压器漏感（L_Leak）以及磁化电感（L_Mag）的谐振电路。

1/（2（L_Leak *C_res））和1/（2（L_Mag *C_res）分别给出了谐振频率。由于漏感小于磁化电感，第一个谐振频率要高于第二个。

CamSemi的混合信号RDFC控制器IC系列采用了先进的控制算法，即使负载出现变化，也可以保证转换器运行于较佳的性能水平。三个主要控制机制是：

→谐振控制检测开关电压波形，以发现下一个开关周期中的近零导通和关断电压，来确定较佳的导通时间。

→电源控制是通过检测过载条件下的开关电流并予以限制，或缩短低负载条件下的导通时间将空载功率损耗降至较低来实现的。

→基极驱动控制可动态地保持较佳集电极电压的功率晶体管的导通状态，以降低导通损耗，并实现更低开关损耗的较小关断时间。

RDFC控制器采用这三种控制机制的组合来定义电源的五种主要工作模式，如图2所示：

→正常模式——提供全谐振开关，具有从大约20%到100%负载供电的固定占空比。

→待机模式——随着负载的减小，控制器通过缩短导通时间和延长关断时间进入这种模式，可以较大限度地降低空载功耗。

→过载模式——发生在高输出负载时，可限制峰值开关电流并缩短导通时间，同时保持全谐振操作。

→折返模式——发生在过大输出负载时，可将导通时间降至较小，同时增加关断时间，以保护处于短路情况的电源。

→电源突发模式——随着占空比的增加，控制器进入这种模式，周期性的折返模式有助于电源短路情况的恢复。

满足FCC Part 68的设计

FCC Part 68浪涌规范包括出现在电话线上的金属浪涌和纵向浪涌，以及出现在交流电源线上的金属浪涌。电话线路浪涌会影响无绳电话和连接它的保护电路，而电源线浪涌则影响无绳电话的适配器。因此，电源需要使用浪涌抑制电路，以承受电源线浪涌电压和电流。FCC Part 68电源线浪涌规范包括2μs波前时间（tf）和10μs衰减时间（td）的断路电压波形，其峰值电压为2500V，还需要一个具有相同波前和衰减时间的短路电流波形，其峰值电流为1000A。

在一个典型的SMPS电路中，需要使用一个MOV和保险丝电阻器来限制浪涌电压和电流。不过，使用RDFC控制器就可以使电源在浪涌期间进入折返模式，而无需使用MOV，仅用一个小型保险丝电阻器就可以满足FCC Part 68浪涌规范。

RDFC拓扑结构产生的EMI非常低，可以满足严格的标准规范，而且设计难度较小，所需的额外元件也较少。该拓扑结构的正弦开关波形消除了快速开关瞬变和随之发生的电磁辐射，如图2所示，它可以保持所有重要负载期间的全谐振操作，以确保实现低噪声水平。正弦曲线波形对FCC Part 68规范来说尤其具有吸引力，因为与SMPS相比，由此产生的谐波噪声含量较小。因此，EMI降噪技术很容易设计以实现较小的RDFC基本开关噪声，这些噪声常见于30kHz至70kHz的频率范围。

图2. RDFC电源不同的工作模式可以保证在所有重要负载下的全谐振操作，以提供优化的效率并减少EM

电源：低成本无绳电话适配器设计

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