用于打印機(jī)AC適配器的高效開關(guān)電源設(shè)計(jì)

由通用交流適配器供電的消費(fèi)品和PC 外設(shè)的數(shù)量正在迅速增長。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(nèi)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(xù)的超過 50W的輸出功率，從而使許多設(shè)備不再需要內(nèi)置電源。在打印機(jī)等應(yīng)用中， 對(duì)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(dāng)長的一段時(shí)間都處于待機(jī)模式。這意味著這些應(yīng)用中的AC適配器從滿載到空載必須保持很高的轉(zhuǎn)換效率，以維護(hù)其“綠色”標(biāo)準(zhǔn)。本文描述了一個(gè)打印機(jī) AC 適配器的設(shè)計(jì)方案，它基于飛利浦 TEA1532 GreenChipTMII 開關(guān)模式電源 (SMPS) 控制器，提供 60W 持續(xù)輸出功率和 90W 峰值輸出功率。

這類電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)有三點(diǎn)要求：1）在滿負(fù)載 (輸出功率為60W時(shí)工作效率應(yīng)該高于80%；2）在待機(jī)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(jī)與適配器斷開，但仍與 AC 線連接) 輸入功率要低于700 mW。 

電源拓?fù)浼軜?gòu)

TEA1532是一種變頻開關(guān)電源 控制器，用于直接由整流AC 線供電的準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器。雖然TEA1532可以工作在連續(xù)模式和非連續(xù)模式兩種模式，但這款A(yù)C適配器選用了準(zhǔn)諧振模式 (非連續(xù)模式的邊界上) ，因?yàn)檫@種模式的電路拓?fù)浼軜?gòu)容易理解且容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

TEA1532采用SO8 或 DIP8 封裝，在準(zhǔn)諧振模式下具有真正的谷底轉(zhuǎn)換，以確保改善 EMI 性能。除具備標(biāo)準(zhǔn)的GreenChipTMII 功能外，它還有多功能保護(hù)引腳、欠壓保護(hù)和用以防止連續(xù)模式中出現(xiàn)次諧波振蕩的斜率補(bǔ)償功能。 這些功能使設(shè)計(jì)更為簡便，所需要的外部元器件數(shù)大大減少，保護(hù)功能也極大提高。

TEA1532有一項(xiàng)特殊的功能就是谷底鎖定特性，在大多數(shù)操作環(huán)境下，它能鎖定功率晶體管導(dǎo)通在準(zhǔn)諧振波形中的特定谷底(谷底1、 2、 3 等)。這不僅降低了開關(guān)損耗，也 阻止了由于變壓器電流調(diào)制在變壓器中產(chǎn)生的可聞噪音，尤其當(dāng)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，利用不同的谷底開通功率MOSFET，可以在各種工作頻率下提供給定的功率。OCP線代表了過電流保護(hù)界限，在線的右邊不可能工作。如果負(fù)載增加較慢，電路將繼續(xù)在同一谷底中轉(zhuǎn)換，直至到達(dá)過電流保護(hù)界限點(diǎn)。然后，TEA1532 將重新設(shè)定谷底計(jì)數(shù)器并探尋新的工作模式，采用序號(hào)較低的一條谷底及相應(yīng)的新的開關(guān)頻率和峰值電流。在此過程中，輸出電壓并不發(fā)生改變。

圖1 針對(duì)所給功率，TEA1532能根據(jù)所選擇的谷底序號(hào)，在一個(gè)以上的開關(guān)頻率上工作。當(dāng)對(duì)給定谷底的工作點(diǎn)達(dá)到最小開關(guān)頻率或過電流保護(hù)(OCP)線，控制器自動(dòng)轉(zhuǎn)換到下一條最低序號(hào)的谷底。 

在非連續(xù)模式中，變壓器初級(jí)側(cè)線圈的電流通常在新的循環(huán)開始前要回歸零。TEA1532通過能提供Vcc 供電的輔助線圈感知變壓器磁化。只有在變壓器磁芯完全去磁和感知到適當(dāng)?shù)墓鹊字岛蟛砰_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)路通過比較變壓器初級(jí)側(cè)線圈上的電流與其“CTRL”引腳上的誤差電壓(該誤差電壓是通過光隔離器耦合過來的)以產(chǎn)生所需的初級(jí)側(cè)線圈“導(dǎo)通” 時(shí)間。

在低負(fù)載的情況下，控制器進(jìn)入減頻模式， 此時(shí)初級(jí)側(cè)線圈 “導(dǎo)通” 時(shí)間設(shè)置到最小值，輸出功率由變化的開關(guān)頻率控制， 降低工作頻率使開關(guān)損耗減到最低。 針對(duì)更低的輸出功率 (例如：在待機(jī)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)，功率開關(guān)晶體管就保持在截止?fàn)顟B(tài)。這個(gè)功能使“空載”功率耗散控制在 700mW以下，且無需額外的電路。在連續(xù)模式下，可實(shí)現(xiàn)空載功率耗散在300mW 以下。


元器件選擇

這款設(shè)計(jì)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(shù)比和初級(jí)側(cè)線圈電感)、MOSFET 功率開關(guān)、輸出二極管和電容器。 詳細(xì)設(shè)計(jì)方程可以從應(yīng)用說明 AN10316_1 中找到，網(wǎng)頁鏈接為：http://www.semiconductors.philips.com/pip/TEA1532P_N1.html。

在滿載且最小電壓供電單周期情況下，為了維持變壓器初級(jí)側(cè)線圈上足夠的電壓，輸入解耦電容器的容值必須足夠高。在90V/50Hz AC線供電下，為了維持變壓器初級(jí)線圈所需的最小77V的電壓, 建議用139 F電容值。 因此在此設(shè)計(jì)中選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)的值: 150 F。

設(shè)計(jì)變壓器的過程并不簡單。首先要決定所需的匝數(shù)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(jí)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漏感及變壓器輸出的增加而增加，它確定了匝數(shù)比的上限。次級(jí)整流二極管的反向承受電壓決定匝數(shù)比的下限。針對(duì)600V VDS 功率 MOSFET 和 100V VR 二次整流器二極管的選擇，匝數(shù)比的上、下限分別為 5.22和 4.66， 因此選擇匝數(shù)比為 5 。

變壓器的初級(jí)側(cè)線圈電感由最小輸入電壓下所達(dá)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 TEA1532要在消磁后第一個(gè)振蕩谷底處開啟功率 MOSFET。為了計(jì)算所需的初級(jí)側(cè)線圈電感，就必須確定振蕩周期，它由 T-on + T-off + T-osc構(gòu)成

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(jí)側(cè)線圈電感在450 KHz諧振。這樣不僅提供了充足的設(shè)計(jì)余量而且限制了漏極上的 dV/dt 。 T-osc 因而設(shè)置在 1.11 s。最大的T-on由最大開關(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(shù)比(5)、初級(jí)側(cè)線圈上的最小直流電壓 (77V)、 輸出電壓 (20V) 和次級(jí)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(duì)應(yīng)的最大 T-on 時(shí)間為 10.7 s。

初級(jí)側(cè)線圈電感要求在 57 KHz 時(shí)傳送的最大功率為98W (標(biāo)稱90W 輸出加損耗) ，計(jì)算得到電感197 H 和對(duì)應(yīng)峰值電流4.15A。 從變壓器磁芯參數(shù)可計(jì)算出初級(jí)側(cè)線圈匝數(shù) ( 磁芯Bmax = 220 mT 和 Ae = 109 mm2時(shí)為35匝)。 匝數(shù)比再?zèng)Q定次級(jí)線圈所需的匝數(shù)量。

一旦以上的參數(shù)確定之后，余下的大部分設(shè)計(jì)就相對(duì)比較簡單了。通過最初計(jì)算出的初級(jí)側(cè)線圈峰值電流可以決定電流感測電阻器的值。 變壓器次級(jí)線圈上的伏特/匝可用于確定輔助線圈(為 TEA1532 提供最小值為13V Vcc 的供電)的匝數(shù)。 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(jí)側(cè)線圈峰值電流 ，具有非常低的正向恢復(fù)電壓和短的反向恢復(fù)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(zhuǎn)換率(dV/dt) 限定在一個(gè)安全值 (<8 KV/ s) 。

只要次級(jí)輸出電壓的峰值低于100V，次級(jí)整流二極管就可以選肖特基二極管，因?yàn)槠涞偷恼驂航的苁构β蕮p失降到最低。選擇次級(jí)平滑電容器以滿足輸出紋波電流要求，而且額定電壓必須高于適配器出現(xiàn)開環(huán)故障情況下出現(xiàn)的電壓。

此AC 適配器符合各項(xiàng)性能指標(biāo)，其中包括在60 W 輸出時(shí)轉(zhuǎn)換效率在80%以上并且功率器件所需的散熱器體積極小。