基于反激式AC/DC变换器的高效率高精度快速充电系统集成芯片关键技术研究

摘要

随着信息科技快速发展和基于大数据物联网的快速建立，人们在一台个人终端上即可完成信息获取和对实物设备智能控制。手机作为普及率最高、最具代表性的便携式个人终端，从1993年第一部智能手机IBM Simon诞生之日起，经过二十余年发展，目前已具备处理多种日常事务的能力，成为不可或缺的个人物品之一。然而，随着功能的逐渐增多，屏幕尺寸的逐渐增大，手机电池续航问题也越来突出，但受限于目前锂离子电池的研发水平和制造技术，手机电池难以在维持小体积的同时持续增大容量。而当前由恒流恒压型AC-DC系统构成手机适配器，其恒流精度通常在±5％左右，最大输出功率5W（5V/1A）时的转换效率低于73%，较低的恒流精度、转换效率以及较小的输出功率导致电池损耗大，充电时间长，适配器发热严重等诸多问题。在这种情况下，研究恒流精度在±2%以内、转换效率高于80%、输出功率大于5W的快速充电技术，对于提升电池等效续航能力具有重大意义，本文对此做重点研究。
　　本文基于原边反馈型反激式AC-DC变换器系统，研究输出电压动态可调的快速充电系统集成芯片，并将其工作状态分成四个阶段，分别是启动阶段，恒流输出阶段，恒压阶段和动态调压阶段。针对目前变换器系统存在的启动阶段静态工作电流大，恒流阶段的输出电流精度低，恒压阶段传输效率不高以及动态调压阶段快充协议不易识别等问题，进行深入研究并提出相应解决方案。主要研究成果如下。
　　1.提出了一种高精度输出电流控制方法。当前便携式电子产品充电以及LED驱动等应用环境对输出电流均有较高的精度要求，不稳定的电流不仅会影响到便携式产品的充电安全性，而且会严重降低产品的使用寿命。针对当前现有的恒流机制对工艺变动较为敏感且控制精度不高的问题，本文提出了一种新颖的膝点检测策略，该检测方式采用开关电容放大器对辅助侧电压纹波进行放大，并根据输出电流大小设置相应的比较阈值，当输出纹波持续一段时间小于设定阈值后，检测电路输出一个脉冲信号，标志膝点被识别。通过该方式可以抑制工艺偏差对膝点检测的影响，并使得输出电流精度达到±0.8%。
　　2.基于状态空间平均法建立了整个反激变换器系统的功率级模型。为了达到最新DoE.6能效标准，降低反激变换器系统的能量传输损耗，本文通过研究反激变换器系统各个组成部分在一个开关周期内的功率损耗机制，建立了功率级损耗模型，该模型克服了传统建模不全面，或过度抽象复杂从而不利于工程应用等缺点。所提出的模型包括系统开关频率、初级侧采样电阻、初级侧峰值电流、变压器匝比、次级侧校正二极管正向压降及等效电阻等损耗因子，涵盖静态和动态损耗，可以全面反映实际工程应用时的系统损耗机制，从而为低功耗、高效率设计提供充分的理论依据。
　　3.提出一种优化设计的恒压控制策略以提升转换效率。依据建立的反激变换器系统级功率损耗模型，分析和仿真不同因子在一定范围取值时系统能耗绝对值及变化趋势，得出轻重负载下不同损耗因子占总损耗的权重，据此确定各参数的控制曲线。经过仿真和实测系统在0.5A，1A，1.5A，2A时的四点平均效率，结果表明经过优化后的恒压控制策略使得反激变换器系统在典型5V/1A输出条件下的最高转换效率可达84.7%。
　　4.设计了一种针对电流型充电协议的增益可调高精度负载电流检测电路。该检测电路采用具有完全对称结构的共模负反馈以及差模正反馈检测架构，实现了对制造工艺变动所引起失调的良好抑制，同时在0V到电源电压范围内对低至5mV量级的微小输入信号具有极其稳定且任意可调的放大倍数。该电路采用0.35μm/30V/BCD工艺实现，仿真及投片后实测结果证明在各工艺角下，-40°~125°温度范围内检测误差均小于±3%。
　　5.提出一种高精度超低功耗欠压检测电路，用于减小AC-DC变换器系统启动阶段的静态损耗。该电路基于亚阈值和带隙结构设计，克服了传统欠压检测模块滞后带隙基准模块工作的问题，因此极大减小了工作时所需电流。经验证，在实现开启电压检测误差在1V范围内的同时，其工作电流降至1uA以内，解决了启动阶段静态损耗的问题。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2电池充电过程原理及分析

1.3恒流恒压反激变换器研究现状

1.4反激变换器高效能转换技术

1.5快速充电技术发展现状

1.6论文研究内容和组织架构

第二章 反激变换器基本理论

2.1引言

2.2工作于DCM模式下的原边反馈式AC-DC基本原理

2.3本章小结

第三章 反激变换器高精度恒流控制技术研究

3.1引言

3.2恒流控制技术研究

3.3高精度恒流的实现与验证

3.4本章小结

第四章 反激变换器损耗建模及高效能转换技术研究

4.1引言

4.2提高反激变换器转换效率的两种现有方式

4.3反激变换器系统功率级损耗模型研究

4.4高效恒压控制策略

4.5本章小结

第五章 快速充电系统关键技术研究

5.1引言

5.2超低电流启动检测技术

5.3基于MTK协议的快速充电系统

5.4仿真及实测结果分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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