摘要
本文介紹了一款使用TI 控制芯片UCC28720 設(shè)計(jì)的5W 無(wú)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(jì),在去除了Y 電容的情況下依然能夠通過(guò)EMI 測(cè)試；同時(shí)，整機(jī)待機(jī)功耗在全電壓范圍內(nèi)低于10mW。由于UCC2820 是專為驅(qū)動(dòng)三極管設(shè)計(jì)的原邊調(diào)整控制器，使得整機(jī)的成本更有優(yōu)勢(shì)。
1 電源方案介紹
隨著智能手機(jī)以及平板電腦的普及。手機(jī)充電器的要求也越來(lái)越高。其挑戰(zhàn)主要來(lái)源于兩個(gè)方面。第一，低待機(jī)功耗。由于充電器通常都插在插座上，而且大多數(shù)時(shí)間都不在執(zhí)行充電工作。但是，它們?nèi)匀粫?huì)消耗電能，因而浪費(fèi)了能源和用戶的金錢。如何降低這些裝置的待機(jī)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(jì)工程師必須面對(duì)的問(wèn)題。IEC 五星級(jí)能耗要求空載時(shí)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(lái)越多的廠商采用了無(wú)Y 電容方案。這給EMI 的設(shè)計(jì)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(shí)由于UCC28720 是一款原邊反饋?zhàn)儞Q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?jiǎn)?dòng)，調(diào)頻調(diào)幅兩種模式，使得整個(gè)變換器的待機(jī)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
下圖是原理圖。
圖1. 5W無(wú)Y電容充電器原理圖
1.1 待機(jī)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(jī)情況下，UCC28720 支持最低開(kāi)關(guān)頻率為680Hz；同時(shí)原邊峰值電流為滿載峰值電流的1/4。所以，待機(jī)功耗可作如下估算：
由上式可得，待機(jī)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(wú)關(guān)，只與設(shè)計(jì)的最高工作頻率與芯片最低工作頻率比以及最大設(shè)計(jì)峰值電流和最小峰值電流比有關(guān)。根據(jù)芯片規(guī)格書(shū)得：
本次設(shè)計(jì)中，輸出功率為5W，最大開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)為70KHz. 所以，可以計(jì)算得，理論待機(jī)功耗為：
由于輸出需要加一定的假負(fù)載來(lái)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(jī)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(jì)
變壓器的電感量計(jì)算可以參考UCC28720 的規(guī)格書(shū)；這個(gè)不作詳細(xì)介紹。詳細(xì)的變壓器計(jì)算可以參考SLUA604。這里只介紹本方案中的被證明的一種對(duì)EMC 有效的變壓器結(jié)構(gòu)。合適的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)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(cè)試驗(yàn)證的變壓器設(shè)計(jì)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(jiàn)圖3, 通過(guò)計(jì)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(guò)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(guò)導(dǎo)線接地，達(dá)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(jì)中，可以通過(guò)EMI 測(cè)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(jì)中有效的變壓器結(jié)構(gòu)不一定適用于其它的設(shè)計(jì)，但
無(wú)論如何，都可以給后面的設(shè)計(jì)作一個(gè)參考和思路。
2 測(cè)試結(jié)果
根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)，制作了樣機(jī)并驗(yàn)證其性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
2.1 效率測(cè)試
表1. 115Vac 變換器效率
|
lin (mA) |
Pin (W) |
lo (mA) |
Vo (V) |
Efficiency LV5 68.17% |
|
|
0.694 |
6.3 |
No Load |
5.06 |
|
76.% |
|
35.03 |
1.657 |
250 |
4.98 |
75.14% |
|
|
60.06 |
3.29 |
500 |
4.99 |
75.84% |
|
|
82.93 |
4.924 |
750 |
5.01 |
76.31% |
|
|
104.94 |
6.557 |
1000 |
5.03 |
76.71%` |
|
表2. 230Vac 變換器效率
|
lin (mA) |
Pin (W) |
lo (mA) |
Vo (V) |
Efficiency LV5 68.17% |
|
|
0.687 |
8 |
No Load |
5.05 |
|
76.9% |
|
24.04 |
1.66 |
250 |
4.99 |
75.15% |
|
|
41.23 |
3.251 |
500 |
5.01 |
77.05% |
|
|
56.18 |
4.859 |
750 |
5.03 |
77.64% |
|
|
69.98 |
6.478 |
1000 |
5.04 |
77.80%` |
|
圖中可以看出，變換器在全電壓范圍內(nèi)，待機(jī)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(shí)，輸出電流的一致性非常好。
2.4 EMC 測(cè)試
圖6. 傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果
3 結(jié)論
本文分析設(shè)計(jì)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(guò)了EMI 測(cè)試，完成了無(wú)Y 電容的充電器設(shè)計(jì)。給未來(lái)的無(wú)Y 電容充電器的設(shè)計(jì)提供了一種參考和思路。同時(shí)，結(jié)合UCC28720 的特點(diǎn)，使該方案在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的待機(jī)功耗低于10mW。