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电源适配器如何实现绿色高效,稳定性强?试试这个方案呗~

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发表于 2022-5-5 17:00:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 思睿达小妹妹 于 2022-5-5 17:26 编辑
% ~2 |/ r9 U, Z0 m
2 Y! Y2 y0 W/ n$ }9 h+ ~/ x! @概述) m7 {, B. s: s# Q

5 O4 x! S5 N* V  M, q4 P随着电子信息产业的飞速发展,电源适配器的应用场合日趋广泛,对其性能的要求也变得日益严格,包括对其效率的要求,特别是随着全世界节能意识的提高,对电源的效率也提出了极为严格的要求。本文,我们将给大家介绍的是基于CR5269SSG电源适配器方案,采用SOP-8L绿色封装,满足能效六标准。
; f4 k3 q) ~# ?1 W4 [6 S- J8 B8 E& i: n9 y
1、样机介绍$ H$ R, C: U3 o* s6 ]

; Z- A+ H% T4 k该测试报告是基于一个能适用于宽输入电压范围,输出功率12W,恒压输出的电源适配器样机,控制IC采用了公司主推的CR5269SSG。
" a1 c1 _& f! e# a/ ?; r. L
- O; W; u3 e. T+ L" \
2 F3 Y7 \2 ^: M' m

+ h5 P+ w; \( W1 b
CR5269SSG_12V1A 工程样机示意图

8 y6 b. m: q) `) C6 mCR5269SSG产品概述
6 |" g. `7 k# s. s, \7 y2 \
' m9 I; [2 S# [' Z5 XCR5269SSG是一款高性能的电流控制型PWM开关,全电压范围内待机功耗小于75mW,满足能效六标准。为了减少待机功耗和提升效率,CR5269SSG集成了多种工作模式。随着负载的变化,CR5269SSG可以工作在三种不同的模式,并且每种模式都做了优化。当负载很重时,系统工作在传统的PWM(脉冲宽度调制)模式。当负载变轻时,系统进入PFM(脉冲频率调制)模式。在PFM模式下,随着负载的逐渐变轻,开关频率也逐渐的减小。CR5269SSG中独有的频率变换模块可以使开关频率平滑降低而不产生噪声。由于频率的降低,开关损耗也被有效的减小了。当负载继续降低而低于某一设定值时,系统进入PSM(跳频调制)模式。在PSM模式下,一些开关周期被跳过,这些周期内开关管完全关断,因此这种模式可进一步降低待机功耗。在上述的三种工作模式下,都集成了频率抖动功能,来提升系统的EMI特性。% e$ Q3 C, w0 a- w5 C) D
5 s$ B/ A6 v6 o" K& v5 J+ J! S6 c7 @
芯片还集成了最大输出功率动态补偿模块,从而保证系统在全电压交流输入范围(90V~264V)内最大输出功率点恒定。
6 h, O; f& F+ c0 n3 @) b3 ~# s* |2 [( \' }9 v# Z0 I
CR5269SSG集成了多种功能和保护特性,包括欠压锁定(UVLO),VDD过压保护(OVP),软启动,过温保护(OTP),逐周期电流限制(OCP),过载保护(OLP),SENSE引脚悬空保护,GATE端箝位,前沿消隐等。) X8 R1 v, r" @1 u1 U; x

: K% F3 j- J  @, _3 p. O4 m芯片特性:! V+ B2 a) F, J; R% w
● 全电压范围待机低于75mW3 ]& q; |( M4 m4 d# F9 C2 b1 W
● 满足能效六级标准
: u! ]! O1 N" P6 D+ s● PSM模式降低待机功耗3 [& u6 f6 R# I4 |, g1 u! n: ]
● 内置软启动
2 ~4 S  ~. q. K( l( k- f/ ~0 N9 W● 良好的EMI特性4 o6 t4 K* }/ K  N1 ]* M" s
● 零噪声工作4 l! x. W3 ^6 y: e9 }
● 典型65kHz开关频率3 T8 o4 m; z0 L  Y& ~& J% i
● 电流模式控制. {% D4 A1 [# R' E. K7 r
● 内置斜坡补偿
% n% p( X( t3 [' v● 内置前沿消隐
. p4 J7 f3 f  @● 启动电流和工作电流低
, A7 H' B9 ~4 i' b$ n● VDD端过压保护
3 W/ Y$ ~% c, w% q9 T8 H6 ?) M5 P● 过载保护& {) v4 G/ h7 H, C$ ?/ s9 [" J( ]
● 逐周期过流保护
/ H1 h- N. }. g7 v5 K" d- s( v4 r● 过温保护
- J. y. T! ?# y6 F  f1 Y3 Y● 输出整流二极管短路保护
4 o  R0 p% {, m9 c5 |3 {; P● 四引脚散热
$ B! w7 X; a  _. ~# U1 n+ f! I● SOP-8L绿色封装
0 O+ \' N2 Z( |% n! f5 a0 u- i6 ~6 B" J5 J, p  m7 X3 i3 G
基本应用& z  T) S5 O4 h- o" _* m+ |. j+ B
● 电源适配器
8 a8 I$ b: D+ x4 T- Y) \● 开放式电源
' ^; Q- M5 h, A, o● 数码相机和摄像机电源
1 t# g1 u' s; ^8 d7 R% M/ G. g● 电脑和服务器辅助电源
- p$ ?8 y2 Q. ^- t% h; K3 K! y% E; L● 机顶盒电源
1 V: a. C! k3 b( E2 T+ c# d● 掌上电脑电源& Y7 h. {. m% R! v$ v6 y

/ h  x: Z1 l! n5 b9 h引脚分布
1 A$ q- Z, M1 L% a3 r- G& P# @1 |
: R* M5 u! z4 N9 \
引脚描述4 T/ F3 k8 L4 u
  T/ i$ Y( o8 k& U: f+ O0 M. w1 C
典型应用
  W, ^+ F  m5 f1 X

, J& t- Q9 f' T. m! w% W+ S) G样机PCBA尺寸:63*34*19mm( L*W*H),是一款全电压实现12V1A输出的电源适配器。AC90V满足启动时间的条件下,实现AC264V样机待机功耗小于75mW;全电压输入时PCB平均效率84.09%;能够满足最严格的“COC_VI_T2” 能效标准;全电压可实现3%电压输出精度。0 f1 A$ T" U( L, d$ _- {
' e  Y/ O- v& Z. F
样机具有良好的动态负载能力,良好的恒流输出效果;同时具有“软启动、OCP、SCP、OVP、OTP自动恢复”等多种保护功能。
# J; i& P1 p; Q+ o! i9 w$ M" `" s! U$ T+ Y
样机的变压器,采用了EE16W加宽磁芯(PC40材质)。变压器绕制工艺部分,请见后文详细说明。
7 p/ j8 ~9 j8 g9 B# h6 g) L' a6 U6 Y. Q4 e3 t2 S
2、样机特性1 l, F) ^7 s6 F1 X, l
9 q$ {/ X& }7 o, f9 _7 K
以下表格为工程样机的主要特性,具体测试方法在第4 章节中有详细说明。
8 r% ~- {4 l& U" q. Y" |- f( j
8 X; I0 H+ ?2 n3 \/ O, I2.1、输入特性:
( h1 q, T' D# U5 d; R& w7 k: u

  y- ]% {9 F1 W4 J2.2、输出特性(PCB 端):: p) }+ Y# a8 ~* m9 T3 G

( _2 N9 H$ A& Z0 z# r! p2.3、整机参数:
" M! G# a* K1 L4 r5 ~! L
# D" v( j- A4 i* U: T
2.4、保护功能测试:, k* ^! ], L( _0 a5 j6 `! L6 y& j
, s& S/ i! K1 \6 f/ {1 g
2.5、工作环境:' Z+ {& t  k$ |) H: s
/ K4 ?- J1 {9 {; d' w/ o# R, u! @/ Y
2.6、测试仪器:
+ v  L. `) a3 q+ d9 q, ^  \' h! a

9 X$ E5 l( I. v3、样机结构信息( b$ _3 j3 b8 ^, o3 T
: k" M+ \, K9 o# I
本小节展示了工程样机的电路、版图结构,变压器结构及工艺。& ?5 f( _7 N  @2 ~8 k+ {

3 `" U7 q9 C( g& K3.1、电路原理图及BOM:
9 t4 j2 @( s4 L- r' q% y7 k# u# l4 R" y7 |- k. s
3.1.1、原理图:- A/ j& m$ {- G" a2 z- n! l) p

3 O, l4 A1 ]8 y1 l) h3.1.2、元器件清单:
2 k2 J" h' ~, [
. g- m- H+ z+ L
3.1.3、PCB 布局&布线:/ @0 z+ W5 m# ^# }( ^

* F0 o: Y1 N+ j
PCB 顶层布局&布线
8 g' j; K/ D# }$ F6 w# X+ [
PCB 底层布局&布线

- l& X5 E& B8 ~3.2、变压器绕制工艺:
' E& Q) X+ e: `7 F% q, e" H) T) k
3.2.1、电路示意图:' }* z/ p1 r+ [* r( [

# T% ]( O$ l# g& [3.2.2、规格参数:7 t( @# M9 d, M8 W+ O
1)骨架:EE16W 加宽立式(5+5PIN),Ae=38mm²;
3 u% I' Q5 n1 A/ g2)材质:TDK PC40 或同等材质;; y5 ?. l1 f( [2 e  `7 c+ ?
3)N1、N2、N3: 2UEW 漆包线;N4: 三层绝缘线;7 x0 u8 {4 k1 z1 ?5 }
4)次级绕组从变压器顶端进出线,磁芯接地6 A2 J5 _  y( a9 B. C
5)绝缘胶带:3M900 或同等材质;
, u3 p8 T! U3 {* p9 J  r- I6)初级绕组感量Lp:1.8mH±5%(测试条件:0.3V,10kHz);
! U# ~0 J. P6 R/ p/ q, L9 a0 V& R+ ]7)漏感量LLK:要求控制在初级绕组的5%以内(测试条件:0.3 V,10kHz));) R5 U$ a0 @+ T/ b
8)耐压测试= 3KV 5mA 1Min;7 C( u* k' v; s
9)成品要求:浸凡立水;& Y0 o* x8 Y( p. L8 K: m
  f6 h6 X) w) n9 A: P' S2 W" i
3.2.3、变压器参数:& K% p7 f6 u/ h9 E
% a7 P+ o, s0 Q' ?# G$ O1 g
3.2.4 变压器结构图:
: `- w: R; N1 c

/ z% y) m3 A- U  S' W1 O4、性能测评
+ T+ Z) |. w' b% C) @+ H) ?( F9 Z) ~3 u' o  H
本小节对工程样机的输入部分、输出部分、各种保护以及一些时序进行了测试,以下详解了测试方法及结果。从测试结果来看,以下各项测试均合格,能够满足大部分客户的要求。
# v1 w. C- f  Q* p
5 ^- w, M& }* X5 x4 l& O: W1 H$ K; T4.1、输入特性:
9 ~8 x1 Z* s. U7 w7 H. k" S+ m$ Z. }
0 O( b( |, a3 B& Q! |- ?本模板经过在不同的输入电压(从90V/60Hz 到264V/50Hz)和不同负载条件(空载和满载)下测试,得到待机功耗、效率及平均效率。7 @: E/ l! V4 O+ M
3 \0 d  W8 Y8 B, E

+ }; w3 |- Z0 t* s表1 待机功耗
5 a* q: R% M) ~2 M& C
4 h: E/ x" b$ g6 W
表2 输出100%负载下的输入特性
. W0 @5 X# s" @4 G& B+ w

9 d) ~! S) y. s* a表3 效率测试(PCB 端)
& \  P: h3 I8 t3 s3 n

9 I* J3 ?2 x7 [3 y) T表4 效率测试(1.8m 24AWG Cable)
" N- t8 a# E! D3 x" |5 U4 M1 q# B% h

. U$ \6 |8 N: _$ J0 {表5 能效等级评估(PCB 端)
9 A& j: L/ [& q2 v" D9 K
$ U# m0 Q0 z. L5 o
4.2、输出特性:

3 i* d; i+ m# p% o$ _" `# _+ i8 W$ Q* v, K' S
4.2.1 线性调整率和负载调整率: (1.8m 24AWG Cable)1 {" `+ F  q& p& V* }

- X7 I, \6 M5 f

! U0 T$ I9 d: i. I/ H7 _3 ~5 l2 w3 F4.2.2、输出电压纹波:
0 o. s" y  C+ k2 V( c5 c" }4 t( I3 R0 o7 N. V2 B7 l& T) p) C
注:纹波及噪声在PCB 处测试,测试端并联0.1uF/50V 的瓷片电容和10uF/50V 电解电容,带宽限制为20MHz。
; p5 D1 Z$ T7 K& u* \0 H8 Q& T( W7 a  m9 L) L
8 V. f. j) W6 r% F7 M
R&N @ AC90V/60Hz,No Load

! h; ]* k0 u% W
R&N @ AC90V/60Hz,100% Load
2 f9 `: U! H) h
R&N @ AC264V/60Hz,No Load

" R) t3 I" l* @2 a
R&N @ AC264V/60Hz,100% Load

0 r4 F0 q  \" @4.3 保护功能:
9 v% `! ?. f! J1 I# k% a
) J6 `- P$ f9 I1 M
以下涉及过流保护、短路保护的测试。
' h8 g# Q6 e* I
' {% b4 a5 t$ @6 O. K4.3.1、过流保护:, u" K* d! B, P  E/ r7 \3 E3 d
3 \6 N+ |: o, U! ]6 \7 z
4.3.2、短路保护:
" T0 Q2 v# |8 k8 H4 c* ~. q$ z3 \+ ]4 @2 c6 J& `
功率计电流量程2.5A,开启平均值模式测量。
- l- g; f  r( W6 g# h
8 M  I" O4 E6 C! a

8 i0 ~8 ]8 {( s/ J! p( V9 I, t4.4、系统温升测试

+ G8 ?) b# z& q% @本项测试评估成品样机(含配套塑料外壳)在40℃环境温度下长时间工作时关键器件的稳态温度值。测试条件:输入电压分别为90V~264V,输出电流1A。
. F" _0 B. m4 ^! {, w" P

. \3 Z  X: p3 |3 }3 y! B
测试样机及配套外壳

# H! [) z; p. N) r" `温升测试:单位℃
2 ~) M* R3 |  E' P6 @
4 T9 J4 P( ]# |+ @/ b# R& u
4.5、动态测试:/ f- i9 u' N9 o6 w

, f2 r  B: {: T" Q7 C) `输出动态负载电流设置为3A 持续5ms/10ms,然后为0A 持续5ms/10ms 并持续循环,上升/下降设置为3A/us。' e9 E# o) T* x& B* _7 ?5 m

7 ^" L8 g: ^. t6 j
$ L" G/ S1 U2 o4 `0 R0 k
AC90V 5ms

( n: |: ?8 z/ G8 [+ P
AC90V 10ms
, P/ o& x4 X. L% U4 T' H; U
AC264V 5ms

) t2 |9 s- H  r  }2 ?/ T. A  y
AC264V 10ms

0 \7 \0 c2 L( z1 G' d& J% X4.6、系统延时时间测试:
; R$ Q; [6 E" T9 W3 E9 e) g" Q: _9 t  d. A7 ]! L5 f& _/ I3 V+ L/ Y

* }8 y, Y5 b! a" j
TON_DELAY  @ AC100V,100% Load
; V8 n0 B' g: ?& ^/ N4 `
TON_DELAY  @ AC240V,100% Load
  M7 p! C0 \1 K" b5 T
THOLD_UP @ AC100V,100% Load

& R8 @1 P( V( L" `; J* @
THOLD_UP @ AC240V,100% Load

% h2 S  B% \) ?% |
VOVER_SHORT @ AC100V,100% Load

$ P) z6 ~$ s5 C# c
VOVER_SHORT @ AC240V,100% Load
/ l2 X/ H1 [* E+ ?2 b( n) R
4.7、其它重要波形测试:6 O. m/ Y" \& Q# y  E
- b4 M* N5 c8 V+ l+ a
DRAIN(蓝色)端、CS(红色)端波形图:& S; z/ s$ [6 I. t# d% j

* `7 R+ \5 Y7 G8 x, I
AC90/60Hz,100% load
/ t. _1 ]7 j& `1 D6 x
AC115/60Hz,100% load

1 x( Y" a  w9 l" v  {: |3 O
AC230/50Hz,100% Load

2 d( R) E8 I' x$ I- r% I
AC264/50Hz,100% load
; f. L# h8 m! g. l. ]
AC264/50Hz,100% load 输出肖特基电压

/ ~! p" n( \& G5 h$ u
AC264/50Hz,输出短路,IC 漏极、CS 波形
: S5 A! m6 e7 d' z: e! f# Y  E
5、 EMI 评估测试
  E3 T( _" \$ y9 S9 ^
( G( K# Y1 y. A; p' M( I6 b测试条件:输入:AC115V/230V/50Hz;输出负载:使用大功率电阻;限值标准参考:EN55013、EN55022B。(辐射测试结果仅供参考)
* D2 E0 J) T9 n1 f) T6 h9 C* ^: [$ C: X8 _: \7 Y1 ]
AC115V/60Hz 传导L 相
8 b; }1 v4 J9 a$ B* B6 n
AC115V/60Hz 传导N 相

5 `6 c/ V* |; D3 e. O5 Z0 Y# D5 f
AC230V/50Hz 传导L 相
  t) q7 s4 h/ _& I$ M) D0 ]* x
AC230V/50Hz 传导N 相
6 C, \. g; B% h, i$ G  H
AC115V/50Hz 辐射测试
! s+ j& E" k0 E' J7 Z; i& f0 s6 s
AC230V/50Hz 辐射测试

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