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一款無Y電容原邊調(diào)整的低功耗充電器設(shè)計

發(fā)布時間:2014-03-12 來源:Jacky Zhang 責任編輯:sherryyu

【導讀】本文介紹的是一款 5W 無 Y 電容充電器設(shè)計方案,并且詳解了一種變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計,是如何在去除了 Y 電容的情況下依然能夠通過 EMI 測試;同時,整機待機功耗在全電壓范圍內(nèi)低于 10mW。該無Y電容原邊調(diào)整充電器設(shè)計應用的是驅(qū)動三極管設(shè)計的原邊調(diào)整控制器,這樣使得充電器既能低功耗,同時也具有更低成本的優(yōu)勢。

隨著智能手機以及平板電腦的普及。手機充電器的要求也越來越高。其挑戰(zhàn)主要來源于兩個方面。第一,低待機功耗。由于充電器通常都插在插座上,而且大多數(shù)時間都不在執(zhí)行充電工作。但是,它們?nèi)匀粫碾娔?,因而浪費了能源和用戶的金錢。如何降低這些裝置的待機功耗,從而節(jié)省電能、滿足政府法規(guī)要求,以及為用戶節(jié)省金錢,已顯然是設(shè)計工程師必須面對的問題。IEC 五星級能耗要求空載時設(shè)備消耗的功率必須小于 30mW。第二,EMI 性能。由于充電器的體積非常小,成本控制嚴格,所以濾波器的使用受到限制,另一方面,原副邊漏電流的限制也使得越來越多的廠商采用了無 Y 電容方案。這給 EMI 的設(shè)計提出了極大的挑戰(zhàn)。

本方案采用了 UCC28720 控制的 5V@1A 反激變換器,介紹了一種特殊的變壓器結(jié)構(gòu),成功去除了 Y 電容了。同時由于 UCC28720 是一款原邊反饋變換器,從而消除了光藕及副邊反饋線路,節(jié)約了成本并提高了可靠性。 UCC28720 集成了高壓啟動,調(diào)頻調(diào)幅兩種模式,使得整個變換器的待機功耗可以在全電壓范圍內(nèi)小于10mW,已經(jīng)遠遠優(yōu)于五星級標準。

圖1是原理圖。

 

充電器原理圖
圖1:5W無Y電容充電器原理圖
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1 、待機功耗估算

電壓調(diào)整控制模式下,控制器工作在調(diào)頻(FM)和調(diào)幅(AM)模式,如圖 2 所示。從圖中可知,待機情況下,UCC28720 支持最低開關(guān)頻率為 680Hz;同時原邊峰值電流為滿載峰值電流的 1/4。所以,待機功耗可作如下估算:

由上式可得,待機功耗的大小跟變壓器電感量大小,變換器具體的峰值電流無關(guān),只與設(shè)計的最高工作頻率與芯片最低工作頻率比以及最大設(shè)計峰值電流和最小峰值電流比有關(guān)。根據(jù)芯片規(guī)格書得:

本次設(shè)計中,輸出功率為 5W,最大開關(guān)頻率設(shè)計為 70KHz。所以,可以計算得,理論待機功耗為:

由于輸出需要加一定的假負載來保證控制輸出電壓穩(wěn)定,假負載一般在 2mW 左右,那么整機空載功耗可以在全電壓范圍內(nèi)做到 10mW 以下。

UCC28720 FM 和 AM 模式圖

圖2 :UCC28720 FM 和 AM 模式圖
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2 、變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計

變壓器的電感量計算可以參考 UCC28720 的規(guī)格書;這個不作詳細介紹。詳細的變壓器計算可以參考 SLUA604。這里只介紹本方案中的被證明的一種對 EMC 有效的變壓器結(jié)構(gòu)。

合適的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計對適配器的效率和 EMI 性能有很大的影響。本文提供了一種經(jīng)測試驗證的變壓器設(shè)計結(jié)構(gòu),從而幫助去除了 Y 電容,并且得到理想的 EMI 結(jié)果。參見圖 3,通過計算,使變壓器原邊恰好繞滿骨架兩層,然后加入一層屏蔽繞組,繞組一端接地,另一端埋在變壓器內(nèi)部。屏蔽繞組將原副邊隔離,可以有效的降低共模干擾。屏蔽繞組的外面是副邊繞組,最外層是輔助繞組,通過選擇適當?shù)木€,使得輔助繞組剛好繞滿一層。最后,變壓器外加銅帶做屏蔽,銅帶需與磁芯可靠接觸,然后通過導線接地,達到磁芯接地的目的。 使用此種結(jié)構(gòu)的變壓器,在本設(shè)計中,可以通過 EMI 測試,并且有可靠的余量。

變壓器結(jié)構(gòu)圖

圖3:變壓器結(jié)構(gòu)圖

當然,EMI 特性跟很多因素有關(guān),本設(shè)計中有效的變壓器結(jié)構(gòu)不一定適用于其它的設(shè)計,但無論如何,都可以給后面的設(shè)計作一個參考和思路。
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測試結(jié)果

根據(jù)以上分析和設(shè)計,制作了樣機并驗證其性能,實驗結(jié)果如下。

1 、效率測試

Table 1. 115Vac 變換器效率

Table 1. 115Vac 變換器效率

Table 2. 230Vac 變換器效率

Table 2. 230Vac 變換器效率

2、 待機功耗

待機功耗

圖 4:待機功耗

圖中可以看出,變換器在全電壓范圍內(nèi),待機功耗低于 10mW。
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3、 輸出 V-I 曲線

115V&230V V-I 曲線

圖 5: 115V&230V V-I 曲線

由圖 5 所示,本方案在 115Vac 輸入和 230Vac 輸入情況下,輸出電壓和輸出電流均在客戶要求的范圍之內(nèi),并且可以看到,不同輸入電壓時,輸出電流的一致性非常好。

4、 EMC 測試

傳導測試結(jié)果

圖 6:傳導測試結(jié)果

結(jié)論

本文分析設(shè)計了使用 UCC28720 控制的原邊反饋反激變換器。 找到了一種合理的變壓器結(jié)構(gòu),通過了 EMI 測試,完成了無 Y 電容的充電器設(shè)計。給未來的無 Y 電容充電器的設(shè)計提供了一種參考和思路。同時,結(jié)合 UCC28720 的特點,使該方案在整個輸入電壓范圍內(nèi)的待機功耗低于10mW。

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