|
由通用交流適配器供電的消費品和PC 外設的數量正在迅速增長(cháng)。該適配器是指能插入頻率在47 到 63 Hz間，提供電壓有效值在90V 至 264V范圍內的交流電插座上的適配器。這些AC適配器體積小巧且提供連續的超過(guò) 50W的輸出功率，從而使許多設備不再需要內置電源。在打印機等應用中， 對峰值功率有較高的要求，它們在短時(shí)間的突發(fā)工作以外，要有相當長(cháng)的一段時(shí)間都處于待機模式。這意味著(zhù)這些應用中的AC適配器從滿(mǎn)載到空載必須保持很高的轉換效率，以維護其“綠色”標準。本文描述了一個(gè)打印機 AC 適配器的設計方案，它基于飛利浦 TEA1532 GreenChipTMII 開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 控制器，提供 60W 持續輸出功率和 90W 峰值輸出功率。 這類(lèi)電源標準規范要求輸 出電壓為：20V 4% ， 其紋波和噪聲要分別低于 350 mV 和200 mV 。所謂的“綠色”標準有三點(diǎn)要求：1）在滿(mǎn)負載 (輸出功率為60W時(shí)工作效率應該高于80%；2）在待機模式下(輸出功率為500 mW時(shí)) ，其輸入功率要低于1.25 W；3）在空載情況下(打印機與適配器斷開(kāi)，但仍與 AC 線(xiàn)連接) 輸入功率要低于700 mW。 電源拓撲架構 TEA1532是一種變頻開(kāi)關(guān)電源 控制器，用于直接由整流AC 線(xiàn)供電的準諧振反激式轉換器。雖然TEA1532可以工作在連續模式和非連續模式兩種模式，但這款AC適配器選用了準諧振模式 (非連續模式的邊界上) ，因為這種模式的電路拓撲架構容易理解且容易實(shí)現穩定。 TEA1532采用SO8 或 DIP8 封裝，在準諧振模式下具有真正的谷底轉換，以確保改善 EMI 性能。除具備標準的GreenChipTMII 功能外，它還有多功能保護引腳、欠壓保護和用以防止連續模式中出現次諧波振蕩的斜率補償功能。 這些功能使設計更為簡(jiǎn)便，所需要的外部元器件數大大減少，保護功能也極大提高。 TEA1532有一項特殊的功能就是谷底鎖定特性，在大多數操作環(huán)境下，它能鎖定功率晶體管導通在準諧振波形中的特定谷底(谷底1、 2、 3 等)。這不僅降低了開(kāi)關(guān)損耗，也 阻止了由于變壓器電流調制在變壓器中產(chǎn)生的可聞噪音，尤其當采用低質(zhì)量膠合芯的低成本變壓器時(shí)更是如此。 如圖1所示，利用不同的谷底開(kāi)通功率MOSFET，可以在各種工作頻率下提供給定的功率。OCP線(xiàn)代表了過(guò)電流保護界限，在線(xiàn)的右邊不可能工作。如果負載增加較慢，電路將繼續在同一谷底中轉換，直至到達過(guò)電流保護界限點(diǎn)。然后，TEA1532 將重新設定谷底計數器并探尋新的工作模式，采用序號較低的一條谷底及相應的新的開(kāi)關(guān)頻率和峰值電流。在此過(guò)程中，輸出電壓并不發(fā)生改變。 圖1 針對所給功率，TEA1532能根據所選擇的谷底序號，在一個(gè)以上的開(kāi)關(guān)頻率上工作。當對給定谷底的工作點(diǎn)達到最小開(kāi)關(guān)頻率或過(guò)電流保護(OCP)線(xiàn)，控制器自動(dòng)轉換到下一條最低序號的谷底。 在非連續模式中，變壓器初級側線(xiàn)圈的電流通常在新的循環(huán)開(kāi)始前要回歸零。TEA1532通過(guò)能提供Vcc 供電的輔助線(xiàn)圈感知變壓器磁化。只有在變壓器磁芯完全去磁和感知到適當的谷底值后才開(kāi)始新的循環(huán)。 TEA1532 采用電流模式控制。電流模式控制本身具有良好的交流紋波抑制特性。TEA1532的控制環(huán)路通過(guò)比較變壓器初級側線(xiàn)圈上的電流與其“CTRL”引腳上的誤差電壓(該誤差電壓是通過(guò)光隔離器耦合過(guò)來(lái)的)以產(chǎn)生所需的初級側線(xiàn)圈“導通” 時(shí)間。 在低負載的情況下，控制器進(jìn)入減頻模式， 此時(shí)初級側線(xiàn)圈 “導通” 時(shí)間設置到最小值，輸出功率由變化的開(kāi)關(guān)頻率控制， 降低工作頻率使開(kāi)關(guān)損耗減到最低。 針對更低的輸出功率 (例如：在待機和空載條件下)， TEA1532 進(jìn)入跳周期模式。只要輸出電壓仍處于較高狀態(tài)，功率開(kāi)關(guān)晶體管就保持在截止狀態(tài)。這個(gè)功能使“空載”功率耗散控制在 700mW以下，且無(wú)需額外的電路。在連續模式下，可實(shí)現空載功率耗散在300mW 以下。 元器件選擇 這款設計中重要的元器件選擇包括： 輸入解耦電容、變壓器(芯尺寸、匝數比和初級側線(xiàn)圈電感)、MOSFET 功率開(kāi)關(guān)、輸出二極管和電容器。 詳細設計方程可以從應用說(shuō)明 AN10316_1 中找到，網(wǎng)頁(yè)鏈接為：http://www.semiconductors.philips.com/pip/TEA1532P_N1.html。 圖2 完整的打印機AC適配器電路圖 在滿(mǎn)載且最小電壓供電單周期情況下，為了維持變壓器初級側線(xiàn)圈上足夠的電壓，輸入解耦電容器的容值必須足夠高。在90V/50Hz AC線(xiàn)供電下，為了維持變壓器初級線(xiàn)圈所需的最小77V的電壓, 建議用139 F電容值。 因此在此設計中選擇最接近標準的值: 150 F。 設計變壓器的過(guò)程并不簡(jiǎn)單。首先要決定所需的匝數比。它的上限和下限由建議采用的功率MOSFET晶體管的最大漏源電壓 (VDS)和次級整流二極管的反向電壓限決定。功率 MOSFET要承受由于變壓器漏感產(chǎn)生的電壓尖峰，它在磁芯消磁開(kāi)始時(shí)加到輸入峰值上(265V 交流供電時(shí)峰值輸入電壓為373V)。 尖峰電壓的幅值隨著(zhù)漏感及變壓器輸出的增加而增加，它確定了匝數比的上限。次級整流二極管的反向承受電壓決定匝數比的下限。針對600V VDS 功率 MOSFET 和 100V VR 二次整流器二極管的選擇，匝數比的上、下限分別為 5.22和 4.66， 因此選擇匝數比為 5 。 變壓器的初級側線(xiàn)圈電感由最小輸入電壓下所達到的最大輸出功率決定。在這樣的前提下，適配器必須在接近最大頻率和峰值電流的情況下工作，這意味著(zhù) TEA1532要在消磁后第一個(gè)振蕩谷底處開(kāi)啟功率 MOSFET。為了計算所需的初級側線(xiàn)圈電感，就必須確定振蕩周期，它由 T-on + T-off + T-osc構成，詳見(jiàn)圖3。 圖3 首個(gè)谷底開(kāi)關(guān)條件(最小輸入電壓、最大輸出負載) 由于 TEA1532在這些條件下的谷底檢測的頻率上限為700KHz，所以決定在功率MOSFET漏極上加一電容，使之與變壓器初級側線(xiàn)圈電感在450 KHz諧振。這樣不僅提供了充足的設計余量而且限制了漏極上的 dV/dt 。 T-osc 因而設置在 1.11 s。最大的T-on由最大開(kāi)關(guān)頻率的最小值(50KHz)下的最大占空比決定，而最大占空比由匝數比(5)、初級側線(xiàn)圈上的最小直流電壓 (77V)、 輸出電壓 (20V) 和次級整流二極管的正向電壓降(0.5V)決定。 在以上情況下，最大占空比為 0.57，對應的最大 T-on 時(shí)間為 10.7 s。 初級側線(xiàn)圈電感要求在 57 KHz 時(shí)傳送的最大功率為98W (標稱(chēng)90W 輸出加損耗) ，計算得到電感197 H 和對應峰值電流4.15A。 從變壓器磁芯參數可計算出初級側線(xiàn)圈匝數 ( 磁芯Bmax = 220 mT 和 Ae = 109 mm2時(shí)為35匝)。 匝數比再決定次級線(xiàn)圈所需的匝數量。 一旦以上的參數確定之后，余下的大部分設計就相對比較簡(jiǎn)單了。通過(guò)最初計算出的初級側線(xiàn)圈峰值電流可以決定電流感測電阻器的值。 變壓器次級線(xiàn)圈上的伏特/匝可用于確定輔助線(xiàn)圈(為 TEA1532 提供最小值為13V Vcc 的供電)的匝數。 峰值鉗位二極管 (D105)的選擇主要有四個(gè)方面考慮：反向額定電壓等于或高于MOSFET的VDS值，額定電流高于初級側線(xiàn)圈峰值電流 ，具有非常低的正向恢復電壓和短的反向恢復時(shí)間。還要檢查漏-源電容 (MOSFET電容加外部諧振電容器)值，使MOSFET 關(guān)閉時(shí)的轉換率(dV/dt) 限定在一個(gè)安全值 (只要次級輸出電壓的峰值低于100V，次級整流二極管就可以選肖特基二極管，因為其低的正向壓降能使功率損失降到最低。選擇次級平滑電容器以滿(mǎn)足輸出紋波電流要求，而且額定電壓必須高于適配器出現開(kāi)環(huán)故障情況下出現的電壓。 此AC 適配器符合各項性能指標，其中包括在60 W 輸出時(shí)轉換效率在80%以上并且功率器件所需的散熱器體積極小。 |
