FAN6754A在PWM反激式開關(guān)電源的應(yīng)用設(shè)計(jì)

本文介紹了新款峰值電流型PWM控制芯片FAN6754A的工作特性和原理，分析了反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理以及工作過程。針對次級電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。著重介紹了反激式開關(guān)電源的變壓器設(shè)計(jì)過程，包括電感值的計(jì)算、磁芯的選擇、繞組匝數(shù)的確定以及氣隙等。利用三端穩(wěn)壓器TL431配合FAN6754A實(shí)現(xiàn)了對電源電壓的控制和穩(wěn)壓輸出，采用光耦器件實(shí)現(xiàn)了輸入/輸出的隔離和反饋。并在電源電路中加入了熱敏電阻以及過壓、過流保護(hù)等保護(hù)措施。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的電源效率接近89%、穩(wěn)壓性能優(yōu)良、紋波小、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率高等優(yōu)點(diǎn)。

不論在成本還是在技術(shù)方面，反激式拓?fù)涠家驯蛔C明是一種有效的解決方案，在筆記本電腦的AC-DC適配器和充電器中用PWM功率轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)。這里本文設(shè)計(jì)了一種采用FAN6754A控制芯片應(yīng)用于65W/19V筆記本電源適配器的新型反激式開關(guān)電源。

1 FAN6754A概述

FAN6754A是飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)公司一款高度集成的用于通用開關(guān)電源和包括電源適配器在內(nèi)的反激式綠色PWM控制器，可滿足目前嚴(yán)苛的國際節(jié)能規(guī)范要求， FAN6754A可提供高啟動電壓，將輕負(fù)載下的能效?提高25%.內(nèi)置8ms軟啟動電路可大大減少M(fèi)OSFET啟動時的電流尖峰和輸出電壓過沖現(xiàn)象。FAN6754A能降低EMI多達(dá)5-10dB的抖頻功能，此外，F(xiàn)AN6754A加入了數(shù)項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，能夠降低總體功耗，例如專有綠色模式功能，提供關(guān)斷時間調(diào)制以連續(xù)減低輕負(fù)載條件下的開關(guān)頻率。

FAN6754A內(nèi)置了多種穩(wěn)健、精確的保護(hù)功能，以保護(hù)電源避免故障，完全無需增添外部組件或電路，如過低電壓保護(hù)、欠壓鎖定(UVLO)、過壓保護(hù)(OVP)、過載保護(hù)(OLP)和過溫保護(hù)(OTP)、過流保護(hù)(OCP) 和過流限制(OCL)。VDD過壓保護(hù)(OVP)功能可防止反饋環(huán)路開環(huán)等異常狀況造成的損害。當(dāng)VDD因異常狀況超過24V時，PWM輸出將會關(guān)斷。欠壓鎖定(UVLO)電路有兩個閾值，即導(dǎo)通和關(guān)斷閾值，分別內(nèi)固定為17V和10V.這里的UVLO具有兩段式的關(guān)斷閾值，控制器的保護(hù)動作時，VDD電壓下降到UVLO的關(guān)斷閾值10V之下，PWM輸出將被停止。但VDD此時不會馬上重新上升，會繼續(xù)下降到完全關(guān)斷電壓點(diǎn)6.5V之后，VDD才會重新上升到啟動電壓點(diǎn)，PWM控制器便會重新輸出脈沖，這種機(jī)制使電源在輸出短路或開環(huán)等異常情況下，平均輸入功率可以被大大降低，不會發(fā)生電源過熱的現(xiàn)象。不同于以往的PWM控制器，F(xiàn)AN6754A的HV4引腳還能執(zhí)行AC欠壓保護(hù)功能。采用一個快速二極管和啟動電阻來對AC線電壓進(jìn)行采樣(每180μS一次采樣，脈寬20μS)，每一個采樣周期峰值都被更新并存儲在寄存器中，這個峰值可用于欠壓和電流級限制調(diào)節(jié)。當(dāng)HV引腳上的電壓低于欠壓電壓時，PWM 輸出關(guān)斷。此外， HV 引腳能夠進(jìn)行限流值調(diào)整，縮小整個AC 電壓范圍上的過流保護(hù)容限。

2 反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

電源主電路采用單端反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開機(jī)后，220V市電經(jīng)過EMI濾波器、整流橋BD和濾波電容后，轉(zhuǎn)化為約310V的直流電;220V市電的通過啟動電阻R7觸發(fā)芯片內(nèi)部的恒流源對VDD電容充電，當(dāng)VDD達(dá)到導(dǎo)通門檻電壓后，F(xiàn)AN6754A輸出脈沖，電源開始工作，此后芯片由輔助繞組供電， 電壓維持在17V左右。主開關(guān)管開通后，次級Q3 處于斷態(tài)，原邊N1繞組的電流線性增長，電感儲能增加;開關(guān)管關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過副邊繞組和Q3向輸出端釋放。FAN6754A 8腳產(chǎn)生的PWM脈沖輸出，推動開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，通過高頻變壓器將電壓輸出到次級繞組上，高頻方波脈沖電壓再經(jīng)整流濾波變成直流電壓輸出。反饋繞組取得的輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后輸入誤差放大器，與基準(zhǔn)電壓比較產(chǎn)生控制電壓，即輸出脈寬，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓作用[4].本文設(shè)計(jì)要求：輸入交流90V~264V,一路為電源輸出19V/3.42A,一路給PWM控制器供電17V/1.5mA, 輸出均無后級線性調(diào)整器，頻率65kHz,隨著輸入電壓的變化能自動調(diào)節(jié)PWM輸出來保證輸出電壓的穩(wěn)定，總輸出功率65W，效率為80%。設(shè)計(jì)如下圖所示。

圖1 FAN6754A 電路原理圖

根據(jù)文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)要求當(dāng)HV 啟動時輸入直流電壓典型值104V(相當(dāng)于交流80.6V)時電源起動， 驅(qū)動HV 電流為最小2.0mA,典型電流為3.5mA, 根據(jù)輸入電壓范圍及HV 內(nèi)阻為1.62K,考慮取裕量選定一個1N4007 和200K 高壓電阻。另外，為兼顧開機(jī)啟動時間和VDD 供電能力，采用了兩個電解電容，中間用二極管隔開的供電線路，開機(jī)時， 市電通過HV 腳只對靠近IC 的第一個電容充電，I C 快速啟動后，二級管導(dǎo)通，兩個電容一起給IC 供電。電源正常模式開關(guān)頻率為65KHz，在具體設(shè)計(jì)中選定Rt=5.6K，Ct=1nF。

反激變換器要求輸入交流電壓為90V~264V能夠正常使用，最大輸入電壓時加在變換器上的整流直流電壓為：

此處MOSFET管承受的漏源間最大電壓， Vds_max=Uinmax+nVo.假設(shè)n是4.5,Vo是19V,則Vds_max=373+4.5*19=458.5(V)， 因?yàn)檫€有漏感產(chǎn)生的尖峰電壓存在，應(yīng)留有一定裕量，取650V耐壓的 MOSFET.MOSFET管選用標(biāo)準(zhǔn)為：在滿足器件開關(guān)應(yīng)力的前提下，驅(qū)動電路使輸出的驅(qū)動波形具有陡峭的上升沿和下降沿，設(shè)計(jì)中選定MOSFET型號為：SPA07N65C3(漏源級電壓650V, 漏極電流7A,導(dǎo)通電阻0.6Ω)。

由于變壓器的繞制工藝引起的漏感以及負(fù)載的電感性引起的開關(guān)電壓應(yīng)力過大可能導(dǎo)致開關(guān)管的損壞，此處采用的是有瞬態(tài)電壓抑制器與二極管串聯(lián)構(gòu)成的尖峰電壓吸收網(wǎng)絡(luò)，可有效防止功率MOSFET 管關(guān)斷過程中承受的反壓。D8 是型號P6 KE150A 的TVS(Transient Voltage Suppresser)， 鉗位電壓150V/耗散功率600W,D9 是BYV95C(1 A/1KV)具有軟恢復(fù)特性的二級管。開關(guān)管Vds 的最大鉗位電壓：Vds(clamp)=Vds_max+VD5=458.5+1 50=608.5(V)， 小于MOSFET 額定值650V.在此吸收網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的RCD 吸收網(wǎng)絡(luò)不同的是，在低壓輸入或輕載的情況下，開關(guān)管的Vds 電壓不足以使其動作，這樣減少了功率的損耗，提升了整機(jī)低壓輸入和輕載時的效率。

FAN6754A 具有開環(huán)保護(hù)(OLP)功能，在出現(xiàn)開環(huán)或輸出短路故障時可確保系統(tǒng)的安全性。輸入到SENSE6 腳的外部電阻值可轉(zhuǎn)為電壓值，與芯片內(nèi)部構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)控制。以電壓反饋環(huán)路的反饋電壓VFB 為參考值，一旦VFB 低于閾值電壓，開關(guān)頻率便會持續(xù)降低。目前大多數(shù)開關(guān)電源都采用離線式結(jié)構(gòu)，一般從次級繞組回路中通過電阻分壓取樣，但由于反饋不能直接從輸出電壓取樣，沒有隔離故抗干擾能力差，不適合精度要求較高或負(fù)載變化范圍較寬的場合，這里采用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 配合光耦構(gòu)成反饋回路。并聯(lián)穩(wěn)壓器T L431CLP 輸出電壓大約為2.5V,IF50mA,CTR>5 0%.TL431CLP 與光耦FOD817A 構(gòu)成精密反饋回路，對Vo19V 做精細(xì)調(diào)整，組成精密開關(guān)電源，使電壓調(diào)整率和負(fù)調(diào)整率達(dá)到0.2%以下。PWM 占空比由FB 電壓和電流取樣來決定。取R21=0.15Ω， 當(dāng)電流流過MOSFET 短路地時，F(xiàn)AN6754A 內(nèi)部電流放大器使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使FAN6754A 停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使MOS 管截止，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。當(dāng)Vsense 小于大約0.46V 時，進(jìn)入SENSE6 腳短路保護(hù)。如果反饋電壓(FB)有一定時間大于4.6V,PWM 脈沖即被禁用。

通過采用一個外部負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻來感測外部系統(tǒng)的溫度，可實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)(OTP)功能。NTC 熱敏電阻TR1 的阻抗隨溫度增加而下降， RT5 引腳上的電壓VRT 相應(yīng)降低。如果VRT 小于1.035V,PWM 在12mS 后關(guān)斷。如果VRT 小于0. 7V,PWM 在100uS 后關(guān)斷。

輸出二極管RC 吸收網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可以遵循下面步驟：(1)測試不加RC 網(wǎng)絡(luò)時的二極管反向電壓諧振周期Tr;(2)選取一個陶瓷電容Cdsn 與二極管并聯(lián)，使其反壓的諧振周期為2*Tr;(3)根據(jù)下式計(jì)算吸收電阻Rdsn:Rdsn=3*Tr/(2π*Cdsn)。根據(jù)以上實(shí)際得到的R19,C21 數(shù)值分別為：47Ω 和1nF。

高頻變壓器承擔(dān)著儲能、變壓、傳遞能量等工作，其設(shè)計(jì)如下。

(1)功率選擇。

二次繞組為FAN6754A 的W2 工作供電和W3 輸出。W2 工作電壓為19V 和峰值電流約3.42A, 可得估算輸出功率約為65W.

(2)磁芯的選用。

本設(shè)計(jì)選用的開關(guān)頻率為65kHz,由功率-磁芯尺寸圖查得選用RM10 鐵氧體磁芯，其有效面積A e 為98mm2,飽和磁通密度在100℃為390mT.

(3)繞組匝數(shù)的確定。

原邊繞組開關(guān)管的最大開通時間對應(yīng)在最低輸入電壓和最大負(fù)載時發(fā)生。在本設(shè)計(jì)中，最大占空比為：D=Ton/T=0.50,對應(yīng)周期時長為：T=l/f=1 5us,則Ton=7.5us.

由此可得，變壓器原邊匝數(shù)為：

△B取0.2Tesla ,取Np=50 匝。根據(jù)反激式電路原邊與副邊電壓的關(guān)系：Vo= [(Ns/Np)*D/(1-D)]*Vp,計(jì)算W2 繞組(+1 9V)的匝數(shù)。設(shè)整流二極管壓降0.7V,繞組壓降0. 6V,則繞組輸出電壓值為：

同理，供電給FAN6754A VDD17V/1.5mA 也可獲得。

(4)變壓器原邊電感的計(jì)算校核

在開關(guān)管開通時，原邊的平均輸入電流為：I1 =Po/ηVs,式中變壓器的效率取η=85%,則有：

I1=65/(0.85*90√2 )=0.60A

峰值電流是Ipeak=2*I1/Dm ax=2*0.60/0.50=2.4A.

設(shè)計(jì)變壓器原邊電流的變化量：△I=(2/3)*I peak=2.40*2/3=1.6A.

由電壓與電流變化量關(guān)系V=L(△I/△T)，可得：

符合此處的工作要求。

在最低壓輸入和最大峰值電流是變壓器工作的最差情況，據(jù)此條件驗(yàn)證變壓器是否飽和，由公式：Bmax=L*Ipeak/(Ae*Np)， 代入相關(guān)參數(shù)得Bma x=0.3T,小于0.39T 的飽和磁通密度，設(shè)計(jì)通過。

根據(jù)計(jì)算的電感量，加入適量的氣隙0.36mm, 保證變壓器原邊在開通時能儲存一定能量，并在關(guān)斷期間將這些能量傳遞到副邊，使變壓器可靠工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)上述分析，研制了一臺反激式開關(guān)電源， 并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。下表是在20AWG輸出線端測得的效率數(shù)據(jù)：

表1 電源性能測試結(jié)果

從表1可看出，在115Vac/50Hz輸入條件下，測得的FAN6754A變換器的平均效率為88.66%,在 230Vac/50Hz輸入條件下為 88.88%.這主要得益于FAN6754A的工作頻率可以隨負(fù)載變化的特性。在輸出空載時，樣機(jī)工作于間歇工作模式，測試264Vac輸入時，輸入功率為88mW.同時樣機(jī)電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到±2%內(nèi)，輸出紋波不大于25 mV。

圖2 90V 時輸出

圖3 264V 時輸出

圖2,3 分別為90V 和264V 交流輸入時開關(guān)電源的輸出波形。CH1:Vds,CH2:Vgs,CH3:Ids.圖2 是MOSFET 滿載工作波形，顯示低壓90Vac 時電源工作于電流連續(xù)模式，高壓264Vac 時電源工作于電流不連續(xù)模式，同時各自的電壓和電流符合預(yù)期的設(shè)計(jì)。這里設(shè)計(jì)的開關(guān)電源次級共有2 路輸出， 分別為1 路+19V,1 路+17V,此處展示整個開關(guān)電源系統(tǒng)在經(jīng)過最初設(shè)計(jì)以及不斷調(diào)試之后，得到了寬電壓輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定平滑的直流電輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，紋波小，負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率以及輸出電壓準(zhǔn)確度都較好，電源驅(qū)動能力滿足需求。

4 結(jié)論

本文以FAN6754A為核心開發(fā)了性能穩(wěn)定的單端反激式開關(guān)電源，介紹了外圍電路、緩沖電路和變壓器等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓的反饋調(diào)節(jié)及各種保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的采用FAN6754A的反激式開關(guān)電源能夠很好地滿足系統(tǒng)的要求，外圍元器件少，達(dá)到了預(yù)期要求，可應(yīng)用工作在輸入電壓范圍較寬、負(fù)載變動較大下的場合。