用于打印机AC适配器的高效开关电源设计

只看该作者 · 2011-7-13 10:45

本帖最后由 mamsungwei 于 2011-7-13 10:59 编辑

由通用交流适配器

适配器 　　适配器通俗一点说就是一种起中间连接作用的配件，使用这种配件的作用在于简化主机的硬件设计，增加主机的通用性和灵活性。 [全文]

供电的消费品和PC 外设的数量正在迅速增长。该适配器是指能插入频率在47 到 63 Hz间，提供电压有效值在90V 至 264V范围内的交流电插座上的适配器。这些AC适配器体积小巧且提供连续的超过 50W的输出功率，从而使许多设备不再需要内置电源。在打印机等应用中，对峰值功率有较高的要求，它们在短时间的突发工作以外，要有相当长的一段时间都处于待机模式。这意味着这些应用中的AC适配器从满载到空载必须保持很高的转换效率，以维护其“绿色”标准。本文描述了一个打印机 AC 适配器的设计方案，它基于飞利浦 TEA1532 GreenChipTMII 开关

开关　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

模式电源 (SMPS) 控制器，提供 60W 持续输出功率和 90W 峰值输出功率。
这类电源标准规范要求输出电压为：20V 4% ，其纹波和噪声要分别低于 350 mV 和200 mV 。所谓的“绿色”标准有三点要求：1）在满负载 (输出功率为60W时工作效率应该高于80%；2）在待机模式下(输出功率为500 mW时) ，其输入功率要低于1.25 W；3）在空载情况下(打印机与适配器断开，但仍与 AC 线连接) 输入功率要低于700 mW。
电源拓扑架构
TEA1532是一种变频开关电源控制器，用于直接由整流AC 线供电的准谐振反激式转换器。虽然TEA1532可以工作在连续模式和非连续模式两种模式，但这款AC适配器选用了准谐振模式 (非连续模式的边界上) ，因为这种模式的电路拓扑架构容易理解且容易实现稳定。
TEA1532采用SO8 或 DIP8 封装，在准谐振模式下具有真正的谷底转换，以确保改善 EMI 性能。除具备标准的GreenChipTMII 功能外，它还有多功能保护引脚、欠压保护和用以防止连续模式中出现次谐波振荡的斜率补偿功能。这些功能使设计更为简便，所需要的外部元器件数大大减少，保护功能也极大提高。
TEA1532有一项特殊的功能就是谷底锁定特性，在大多数操作环境下，它能锁定功率晶体管

晶体管 　　晶体管是由三层杂质半导体构成的器件，有三个电极，所以又称为半导体三极管，晶体三极管等，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。 [全文]

导通在准谐振波形中的特定谷底(谷底1、 2、 3 等)。这不仅降低了开关损耗，也阻止了由于变压器

变压器 　　变压器（Transformer）是利用互感原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器是变换电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。它由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 [全文]

电流调制在变压器中产生的可闻噪音，尤其当采用低质量胶合芯的低成本变压器时更是如此。
如图1所示，利用不同的谷底开通功率MOSFET，可以在各种工作频率下提供给定的功率。OCP线代表了过电流保护界限，在线的右边不可能工作。如果负载增加较慢，电路将继续在同一谷底中转换，直至到达过电流保护界限点。然后，TEA1532 将重新设定谷底计数器并探寻新的工作模式，采用序号较低的一条谷底及相应的新的开关频率和峰值电流。在此过程中，输出电压并不发生改变。

图1 针对所给功率，TEA1532能根据所选择的谷底序号，在一个以上的开关频率上工作。当对给定谷底的工作点达到最小开关频率或过电流保护(OCP)线，控制器自动转换到下一条最低序号的谷底。

在非连续模式中，变压器初级侧线圈的电流通常在新的循环开始前要回归零。TEA1532通过能提供Vcc 供电的辅助线圈感知变压器磁化。只有在变压器磁芯完全去磁和感知到适当的谷底值后才开始新的循环。
TEA1532 采用电流模式控制。电流模式控制本身具有良好的交流纹波抑制特性。TEA1532的控制环路通过比较变压器初级侧线圈上的电流与其“CTRL”引脚上的误差电压(该误差电压是通过光隔离器耦合过来的)以产生所需的初级侧线圈“导通” 时间。
在低负载的情况下，控制器进入减频模式，此时初级侧线圈 “导通” 时间设置到最小值，输出功率由变化的开关频率控制，降低工作频率使开关损耗减到最低。针对更低的输出功率 (例如：在待机和空载条件下)， TEA1532 进入跳周期模式。只要输出电压仍处于较高状态，功率开关晶体管就保持在截止状态。这个功能使“空载”功率耗散控制在 700mW以下，且无需额外的电路。在连续模式下，可实现空载功率耗散在300mW 以下。

元器件选择
这款设计中重要的元器件选择包括：输入解耦电容、变压器(芯尺寸、匝数比和初级侧线圈电感)、MOSFET 功率开关、输出二极管

二极管 　　二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 [全文]

和电容器

电容器 　　所谓电容器就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此，我们就可以描述电容器的基本结构：两块导体板（通常为金属板）中间隔以电介质，即构成电容器的基本模型。 [全文]

。详细设计方程可以从应用说明 AN10316_1 中找到，网页链接为：http://www.semiconductors.philips.com/pip/TEA1532P_N1.html。

图2 完整的打印机AC适配器电路图

在满载且最小电压供电单周期情况下，为了维持变压器初级侧线圈上足够的电压，输入解耦电容器的容值必须足够高。在90V/50Hz AC线供电下，为了维持变压器初级线圈所需的最小77V的电压, 建议用139 F电容值。因此在此设计中选择最接近标准的值: 150 F。
设计变压器的过程并不简单。首先要决定所需的匝数比。它的上限和下限由建议采用的功率MOSFET晶体管的最大漏源电压 (VDS)和次级整流二极管

整流二极管 　　整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。 [全文]

的反向电压限决定。功率 MOSFET要承受由于变压器漏感产生的电压尖峰，它在磁芯消磁开始时加到输入峰值上(265V 交流供电时峰值输入电压为373V)。尖峰电压的幅值随着漏感及变压器输出的增加而增加，它确定了匝数比的上限。次级整流二极管的反向承受电压决定匝数比的下限。针对600V VDS 功率 MOSFET 和 100V VR 二次整流器

整流器 　　整流器是一种能够将交流电转化为直流电的装置。通常由真空管，引燃管，固态矽半导体二极管，汞弧等制成，可用于供电装置及侦测无线电信号等。 [全文]

二极管的选择，匝数比的上、下限分别为 5.22和 4.66，因此选择匝数比为 5 。
变压器的初级侧线圈电感由最小输入电压下所达到的最大输出功率决定。在这样的前提下，适配器必须在接近最大频率和峰值电流的情况下工作，这意味着 TEA1532要在消磁后第一个振荡谷底处开启功率 MOSFET。为了计算所需的初级侧线圈电感，就必须确定振荡周期，它由 T-on + T-off + T-osc构成，详见图3。

图3 首个谷底开关条件(最小输入电压、最大输出负载)

由于 TEA1532在这些条件下的谷底检测的频率上限为700KHz，所以决定在功率MOSFET漏极上加一电容，使之与变压器初级侧线圈电感在450 KHz谐振。这样不仅提供了充足的设计余量而且限制了漏极上的 dV/dt 。 T-osc 因而设置在 1.11 s。最大的T-on由最大开关频率的最小值(50KHz)下的最大占空比决定，而最大占空比由匝数比(5)、初级侧线圈上的最小直流电压 (77V)、输出电压 (20V) 和次级整流二极管的正向电压降(0.5V)决定。在以上情况下，最大占空比为 0.57，对应的最大 T-on 时间为 10.7 s。
初级侧线圈电感要求在 57 KHz 时传送的最大功率为98W (标称90W 输出加损耗) ，计算得到电感197 H 和对应峰值电流4.15A。从变压器磁芯参数可计算出初级侧线圈匝数 ( 磁芯Bmax = 220 mT 和 Ae = 109 mm2时为35匝)。匝数比再决定次级线圈所需的匝数量。
一旦以上的参数确定之后，余下的大部分设计就相对比较简单了。通过最初计算出的初级侧线圈峰值电流可以决定电流感测电阻

电阻　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

器的值。变压器次级线圈上的伏特/匝可用于确定辅助线圈(为 TEA1532 提供最小值为13V Vcc 的供电)的匝数。峰值钳位二极管 (D105)的选择主要有四个方面考虑：反向额定电压等于或高于MOSFET的VDS值，额定电流高于初级侧线圈峰值电流，具有非常低的正向恢复电压和短的反向恢复时间。还要检查漏-源电容 (MOSFET电容加外部谐振电容器)值，使MOSFET 关闭时的转换率(dV/dt) 限定在一个安全值 (<8 KV/ s) 。
只要次级输出电压的峰值低于100V，次级整流二极管就可以选肖特基二极管

肖特基二极管 　　肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。 [全文]

，因为其低的正向压降能使功率损失降到最低。选择次级平滑电容器以满足输出纹波电流要求，而且额定电压必须高于适配器出现开环故障情况下出现的电压。
此AC 适配器符合各项性能指标，其中包括在60 W 输出时转换效率在80%以上并且功率器件所需的散热器体积极小。

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