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摘 要 电能是经济社会发展必不可少的一项重要的能源。随着社会经济的进一步发展进步，便携式的各种电子设备变得越来越复杂多样，电源又是整个电器原始的核心和动力，电子设备需求量的井喷式增长，更加促进了电源充电器需求的迅猛增长，更加带来了许多全新的问题和挑战。尤其是人类耗能的种类和方式越来越多，能够有效率而且有效果地设计电源充电器，既能够保证用户的使用需要，还要尽可能减少能源消耗成为我们研究的重点。本文主要针对手机充电器中的新型开关IC进行设计，希望可以得到一款高能效运行的手机充电器。
关键词 新型开关；高能效；电源设计
引言
随着社会经济的不断发展，手机等电子产品行业越来越成为重要的产业。然而近期发生的很多国际事件，例如：中美贸易战等。不断提醒我们能源的可贵，也让我们意识到节约能源的重要性。因此，国家、设备制造厂商、各种环保组织也对减少能源消耗和提高电器设备效率展示出了极高的興趣。随着能源的减少和能源价格的逐年攀升，然而各类的便携式电器逐渐进入千家万户，各类电器所对应的充电器也开始占据电源的插座。据电力部门的相关数据显示，电子设备充电器的空载（即只有充电器插在电源插座上）成为造成能源浪费的一个非常重要的因素。
一方面，国家的能源监督机构还有各种环境保护组织等不断通过提高电器效率标准和奔走于各大厂商，希望能够从设计的角度上提高电器设备效率，减少空载造成的能源浪费。国际上一些企业，如三星、索尼、爱立信等联合在一起，制定了关于手机的充电器的分级制度[1]，这对于整个国际社会的节能环保事业，迈出了重要的一步。与此同时，较低的空载功率越来越成为手机制造行业甚至是各类电子设备制造业的行标。这一指标被看作是否能够勇担社会责任和吸引具有环保意识的电子产品消费者的一种手段。但是，仅仅依靠国家制定标准或者寄希望于企业的自觉性是远远不能够实现这一目标的。
另一方面，电子设备电源的制造工程师们也逐渐开始对研制空载时低耗能的充电器设备产生了极大的兴趣。就以手机充电器为例，手机充电器通常每天只工作1个小时，就可以达到为手机充电的目的。然而很少的消费者会在其余的23个小时把充电器拔下来，使之与插座分离。因此，许多电子设备的充电器和手机充电器一样，绝大部分的时间处于空载状态。尽管这些充电器空载时的功率非常低，但是他们种类多，总量大，仅仅因为空载而造成的总能耗数量巨大。
1 一种与集成开关IC共同使用的新器件
这是一种将新器件L与集成开关IC连用，由于该种器件L具有恒定电压、恒定电流特性。更可以应用于电池充电和LED。此种新器件L还采用了在变压器中的绕组设计，既能够保证反馈的顺利进行，也能完成低压供电。在此种涉及下，许多其他的原件可以得到省略，既节约了成本，更加节约了能耗。
手机的充电器每天只需要一个小时为手机充电，其余的二十三个小时都处于空载状态。使用了新器件之后，可以实现相当大的能源节省，3.25w的电源带载效率可以达到75%。对此将3.25W的电源设计的性能与标准性能进行比较，可以深刻意识到空载功率节约的重要性。图一所示的能够实现能源节约的各种原理如图1。
1.1 关键设计——控制器
控制器U1是这个设计的最为关键之处。这个元件把新型开关控制机、高压时的电流开关源、每个周期电流限制器以及迟滞热管电路都集成在了单片的IC上。通过省去了昂贵的光耦器和下一级的复杂控制电路，极大地简化了通用输入充电器电源的设计。这种元件采用的革新式的操作技术，不仅可以供应波动差为5%的输出电压，还可以提供波动不大于10%的波动电流，这样一来就可以随时补偿变压器等电器元件随输入电压的变化而不足的电压或电流。
图1 通用输入充电器电源
1.2 细微之处设计——衰减EMI
当交流电输入电气元件系统时，需要电器元件的内部结构提供可以防火保护、可以限制启动的时间里产生的如同波浪涌动的电流。图中的L1、C1以及从一起构成的滤波器不仅可以起到平滑整流的电压的作用，还可以衰减相应产生噪声[2]。从微观的角度来看，这对于这个电气设备的稳定起到非常重大的作用。
在这个设计里，变压器是最为可能有制造偏差的电器元件。虽然如此，在第一级的励磁电感非常高或者非常低的时候，转换器都可以通过调节振荡器的频率参数，进行参数的自对比，进而提供一定的补偿。但是由于这个控制器在非连续导通的模式下进行运行，输出的功率和设置的电磁感应将成正比。此时大可以通过调节开关的频率对这个差别进行全面的补偿。以减少偏差的产生，即使在偏差产生的情况下，也能够进行必要的弥补。
D7是二极管，可以对第二级的电流进行整流[3]；C7可以用来滤波，滤波在这个系统中具有重要的作用。D7则可以提高工作效率，获得更高的效率。提升整个元件工作产生的效果。但是如果较低的效率也可以被接受的话，可以使用其他类型的二极管来降低成本。本中设计中还采用了许多滤波和屏蔽措施，可以极大地轻松满足各项规定规范中的各项标准。
电阻和形成的输入时的假负载，能够极大地保证空载时的输出电压处于一个允许的标准范围之内[4]。而集成的齐纳二极管的作用是可以尽可能地限制电池的自放电，但是在常规的情况下，往往是可以省略这个元件的。但是某些特殊的情况下，一定要注意不能因为要节约成本就盲目省略元件，而对整个充电设备的功能产生影响。
C4可以很大程度上控制输出电缆的补偿功能，这种效果可以保证电压是在恒定的模式下，还有当整个元件属于负载范围内时，能够给电缆的末端提供恒定电压或者恒定电流的输出。保障这个元件功能的稳定运行。
D6、R5、和C5共同组成的可选型的备用旁置电源，这样可以实现对U1进行低压情况的供电[5]。若可以不使用这些元件，U1就需要能够获取高压侧的初级部分的电源。此时即使空载功耗上升到200毫瓦，也依然可以满足国家规范对于整个系统的要求。但是，如果出现了无法满足超低空载状态下的能耗标准的情况，旁置电路就可以省去了。在这种情况下，成本就极大地得到了降低。如果成本能够得到较大程度的降低，这对这种电器元件的普及将起到很大的推动作用，甚至对于整个社会的节能事业都将会具有非常重大的意义。
2 结束语
随着社会不断发展进步，用电种类随着社会经济水平的进步也在逐年增长。各种各样的电子产品电源空载时所造成的能源浪费，积少成多。因此，从长远的方面来看，这种基于新型开关IC实现高能效手机充电器，将会是未来社会极其需要的一种产品。
但是，虽然此种基于新型开关IC实现高能效手机电源设备已经可以实现了业界对它所期望的功能。甚至，在性能、效率等方面，它已经成为低功率的外部电源的新型标杆。虽然已经从技术层面上，解决了各种各样的外接电源空载耗能过高的问题，但是此种元件耗资不菲。可知想要批量化生产成本也很高。毕竟，企业生产是以获利为目的，如果整个消费体系不认可这种元件，这种基于新型开关IC实现高能效手机电源的生存将会异常的艰难。
而且，我国是一个具有十三亿人口的大国，人口素质参差不齐。虽然有一部分用户对使用低能耗的充电器已经有了很深的认识，但是对于大部分用户而言，对于环境保护节能减排的认识仍然不够深刻。因此需要电子设备生产商春风化雨地普及环保意识、节能减排的思想。呼吁广大用户在充电完成后及时拔下充电器，不仅可以节约用户的电费，也可以延长电子设备中电器的使用寿命。同时，因为研制一种新型开关IC实现高能效手机充电器本身并不创造效益，如果没有消费者的呼吁和倡导，科技工作者本身、企业本身都会出现动力不足问题。因此，毫不夸张地说，对电子设备用户的节能意识进行科普，可以从另一种角度推进高效能手机充电器的研发生产，可以说是功在当代，利在千秋。
参考文献
[1] 李芊.采用频率抖动技术减小EMI[J].国外电子元器件，2001，（12）： 62-63.
[2] 冯勇.一种优化PSM控制电路的设计[D].北京：电子科技大学， 2007.
[3] 刘楠.基于BCD工艺的高压高效率DC/DC转换器设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.
[4] 王耕福.高频电源变压器磁芯的设计原理[J].磁性材料及器件，2000，（04）：26-31.
[5] 罗萍，李肇基，熊富贵，等.PSM开关变换器的平均模型与特性分析[J].电工技术学报，2005，（03）：22-26. |
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发表于 2022-2-27 20:03:07