本文介紹了一款使用TI 控制芯片UCC28720 設(shè)計的5W 無Y 電容充電器方案,并且介紹了一種變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計,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。由于UCC2820 是專為驅(qū)動三極管設(shè)計的原邊調(diào)整控制器,使得整機的成本更有優(yōu)勢。
1 電源方案介紹
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(yán)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于五星級標(biāo)準(zhǔn)。
下圖是原理圖。
圖1. 5W無Y電容充電器原理圖
1.1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(fù)載來保證控制輸出電壓穩(wěn)定,假負(fù)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。
圖2. UCC28720 FM 和AM 模式圖
1.2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(xì)介紹。詳細(xì)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(dāng)?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(dǎo)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。
圖3. 變壓器結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)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。
2 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。
2.1 效率測試
表1. 115Vac 變換器效率
表2. 230Vac 變換器效率
圖中可以看出,變換器在全電壓范圍內(nèi),待機功耗低于10mW。
2.3 輸出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。[!--empirenews.page--]
2.4 EMC 測試
圖6. 傳導(dǎo)測試結(jié)果
3 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。