USB 壁式充电器：便利与挑战

如今，内置 USB 充电器越来越受欢迎，甚至出现在咖啡和餐饮连锁店中。新房子现在用 USB 壁式充电器建造，而现有的家庭装修现在包括用 USB 充电器替换旧的交流插座。可见，免适配器充电既提供了快速充电的便利，也减少了杂乱。

鉴于 USB 壁式充电器的日益普及，我想就基本设计挑战和注意事项提供一些观察。最不寻常的挑战是如何满足严格的热性能要求以符合安全规范。与外部或便携式 AC/DC 适配器设计不同，内置 USB 壁式充电器只能通过插座的安全盖散热。盖子后面的一联或两联箱被隔热材料包围。前盖不能超过 60 oC. 图 2 显示了一个组合盒的示例。它的尺寸通常为 4”(L)x2.75”(W)x2.5”(D)。AC/DC电源方案的实际容纳空间远小于尺寸数据所示。原因是通过背面的布线布置并连接到一个组合盒正面的插座。

插座盖后允许的最大功耗为 2-3W。对于两个 10W USB 端口，您需要 90% 的效率才能将损耗控制在 2W 以下。

TI 的UCC28700反激式控制器和UCC24610次级侧同步整流器在用于商用 USB 充电器/双工插座时可形成高效解决方案。该插座提供两个总充电功率为 3.6A 的高功率 USB 端口，如图 3 所示。电源开关TPS2561A用于提供双 USB 输出。

UCC28700系列反激式电源控制器在无需使用光耦合器的情况下提供恒定电压(CV)和恒定电流(CC)输出调节。此器件处理来自初级电源开关和一个辅助反激式绕组的信息以实现对输出电压和电流的精确控制。低启动电流、动态控制运转状态和一个定制的调制参数在不牺牲启动时间或者输出静态响应的情况下支持极低的待机功耗。
UCC28700系列中的控制算法使得运行效率符合或者超过适用标准。输出驱动接至一个MOSFET电源开关。带有谷值开关的断续传导模式(DCM)减少了开关损耗。开关频率的调制和初级电流峰值振幅(FM和AM)在整个负载和线路范围内保持较高的转换效率。
此控制器有一个130kHz的最大开关频率并且一直保持对变压器内初级峰值电流的控制。保护特性有助于保持控制中的初级和次级应力分量。UCC28700 可对线缆补偿的电平进行设定。UCC28701， UCC28702 和UCC28703器件在提供固定线缆补偿电平的同时使用一个负温度系数(NTC)电阻器来实现远程温度感测。

TPS2560A 和 TPS2561A是一款双通道配电开关， 此器件用于对电流限制精度有要求或者会遇到重电容负载和短路的应用。 这些器件借助一个外部电阻器为每个通道提供一个250mA至2.8A间（典型值） 的可编程电流限制阀值。 对电源开关的上升和下降次数进行控制以便大大降低接通/切断期间的电流浪涌。
当输出负载超过电流限制阀值时， 通过切换至恒定电流模式， TPS2560A/61A器件的每个通道将输出电流限制到一个安全水平上。 在过流和过热条件下， 每个通道的FAULTx逻辑输出独立低电平有效。

图 2：墙壁插座板后面的典型一联盒。

图 3：具有双输出的 USB 壁式充电器实施

随着 USB Type-C 连接器和 USB-PD 等新兴应用的出现，消费者将寻求 20W 以上的充电功率，可以为智能手机、平板电脑和超极本电脑等设备充电。USB 壁式充电器必须具备更高的效率和高功率密度的 AC/DC 解决方案。TI 团队正在开发一种高效高密度解决方案来应对这一挑战。

UCC28700控制器的静态功率水平控制在 100mW 以下。尽管目前尚无关于 USB 壁式充电器待机功率的行业法规，但我认为降低待机功率对世界的影响仍然很明显。例如，50mW 的静态功率降低转化为每年 438Wh 的功率节省。TI 的UCC28730反激式控制器甚至可以帮助实现零待机功耗 (<5mW)。

一旦支持 USB Type-C 的设备成为更主流的选择，我预计 USB 壁式充电器的采用速度会更快。当酒店、机场、咖啡店、餐厅和家庭配备 USB Type-C 壁式充电器时，我们只需携带一根 USB Type-C 数据线即可，无需为不同的电子设备配备不同的充电器。作为一个经常出差的人，我希望这一天快点到来。