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高效率、低成本的60W电源适配器方案是怎样的?这里有答案

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发表于 2022-5-6 16:49:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 思睿达小妹妹 于 2022-5-6 18:15 编辑 - ?' a+ Y+ U  P8 N
. @  _* {. d4 b/ L4 w# S8 e5 a
本文是基于思睿达主推的CR6890H 60W电源适配器方案,该方案除了具有良好的动态负载能力;同时具有“软启动、OCP、SCP、OVP、OTP自动恢复”等多种保护功能,最重要的是效率高、成本低,可完美匹配行业需求。
' l- A+ O4 t, I; p. X1 e. e
. k) L/ W0 d5 g01、样机介绍; x- w/ J' n  R" m; M

* v+ P* D- ]$ ]0 ]3 B- o5 l; `3 O$ C+ z该报告是基于能够适用于宽输入电压范围,输出功率60W,恒压输出的电源适配器样机,PWM控制IC采用了思睿达主推的CR6890H。9 v4 G# Q3 L! @
1 d) j' c" V; y  W1 N1 \2 V
CR6890H_20V3A 工程样机示意图

: n3 l( r; t0 H, H6 P+ p; hCR6890H 芯片
2 D7 U/ I6 g! \2 c& ?8 E! k( R& V
& H$ ^/ v3 Z. Y( _, u. N& h. l) XCR6890H是一款高集成度、低待机功耗的CCM+PFM 混合电流模式PWM 控制器。CR6890H 轻载时会降低频率,最低频率22kHz 可避免音频噪声。CR6890H 提供了完整的保护功能,如cycle-by-cycle 电流限制、OCP、OTP、VDD_OVP、UVLO 等,还可以通过PRT脚分别精确设置外置过温保护和输出电压过压保护。软启动功能可以减少系统启动时MOSFET 的应力,前沿消隐时间简化了系统应用。通过频率抖动和软驱动电路的设计,降低开关噪声,简化了EMI 设计。CR6890H 提供SOT23-6L的封装。9 g5 l2 |' D3 e# I5 G/ o( P

% e' n( i1 D8 t( ]特性
, W# F* v. D, x* q5 z. ^# _+ T, v5 m- h; c: _
较低的启动电流 (大约3μA)$ K! w0 Z9 {- u) s% K% [( t# c0 d

$ l# M' m  I1 A; Q& r$ q内置软启动减少MOSFET应力3 G$ l9 E+ L* F+ Y* x6 |, N/ U! H

& L: a( S9 o& T3 V/ n带有Peak_load 升频功能;
, }! E% R3 |- P  {6 p' o
3 F/ {& g! N! m9 G& [CCM+PFM控制模式  W' q6 a8 @9 m0 a7 y. ^  e5 N0 C0 h. `  Q
  H: R+ |! l* s! y' b6 c. R' z
内建同步斜坡补偿,消除次谐波震荡
; t* V! G5 i' e- {3 D7 \0 @, R* B6 J  ]
内建频率抖动功能,降低EMI
9 y) S/ w  u2 c& \4 h3 [, l- C1 E/ p% L' c
内置65kHz开关频率6 V) b/ |1 M7 ]/ A, X; k
7 C8 o: z; X& A7 u& ~
轻载降低工作频率
: O' L% c1 B, B. T3 w. R
) w- M- p6 |6 K8 k+ G/ Y3 O$ E* {3 Z$ o15ms倍频模式
* {; _0 H6 o& g7 v; s9 w
8 _8 n  S% P$ T6 N4 F( Q6 [" L可编程外置过温保护并进入latch
  @6 k! v# [/ z9 A* m1 d6 W7 t% a4 P6 v3 I. l, l
VDD过压保护和输出过压保护功能并进入latch
0 n1 ?# ]( m& S. d% u; L% J) S2 o% ]$ f; k. N  b
内置前沿消隐电路( E( e, n/ E1 K9 W) ]
' G. d& _) V9 I: i- [% O3 q$ U! r, g' d
内置输出二极管短路保护5 R  a6 n+ ?% Z: _  o

2 F. n. x0 r0 B" D( K3 N, W% l内置过温保护并进入latch
3 e8 \. @4 z8 b( D2 c6 I+ y2 e1 U. n2 o$ c
过载保护5 {# `) W$ p8 Y# G
- V. p; l4 ~! t" c% l7 C
SOT23-6L封装
: L: z6 `7 K" w: Q, }. C$ ]4 _# b: Y& z4 ~+ s; b2 D! G
电路结构简单、较少的外围元器件,适用于小功率AC/DC 电源适配器、充电器。# F; ^7 F( q+ Q9 K5 O3 m
* ]9 [, _) P3 f! O9 s0 ~! J
基本应用+ p( J2 S* }! P( P

0 E! Z' C! _& l# m. V$ v  r2 ^AC/DC适配器
% b, {( z4 l( W" H. w# H. H* U, Y4 K  j4 m* O
电机类适配器
& j$ J, F4 g5 E) |4 }9 _# ~: h* x7 A  y0 i1 A0 l
充电器/ X9 H9 K! `& c. G; k

! k4 X- ?" r0 Q  ^6 b. h+ N) W% [0 _存储设备电源* m3 ^0 G  {8 N& g- U) t$ q
; z- U8 _* e/ E0 M8 x
典型应用
* d4 l8 J( j& l% q( `: I; A+ J2 Z8 k% p; t2 j: m

# A5 J8 \' x  }( u管脚排列
5 G$ {- y+ E6 k! x4 o) i, I6 z
$ t" P. W+ p; q& p
管脚描述
% z7 T7 i: S7 |- j" _
2 q! b' m! g8 z9 ]9 K  E
( q$ c* a- L7 ?9 P  `3 {! f
样机PCBA尺寸:107*45*28mm,是一款全电压实现20V3A输出的电源适配器。90VAC满足启动时间的条件下AC264V样机待机功耗<58mW;全电压输入时平均效率>89.2%;输出接18AWG1.5米线能够满足“COC_T2” 能效标准。3 |+ ~8 g4 a4 q1 d2 t
$ L5 T' _" n  ]7 V- s  U' q
样机具有良好的动态负载能力;同时具有“软启动、OCP、SCP、OVP、OTP自动恢复”等多种保护功能。
$ V" ^* e2 K- R( u5 f" U! ?2 Q! P
样机的变压器,采用了PQ2620磁芯(PC40材质),变压器绕制工艺部分,请见后文详细说明。+ ]; d. c. ~. Z  s- j+ T7 r2 u

7 @4 P+ `, ?1 x$ L/ a02、样机特性) ?: z; B9 r5 i- m# B8 `

$ ^& U4 |9 ], Y6 q3 }# N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。3 V- k/ _; f  B1 n2 ?) q

3 E9 X7 M& K. X; q0 y2.1、输入特性:8 f5 v! n  X/ c2 H) L' Z  Z
7 ]  h4 p& b' y! P. Z2 Q

3 f0 Z: A; ^$ K- d  V2.2、输出特性(PCB END):8 p# J1 E" R* D0 i9 e# |# x* A6 q
3 M) q( O; q5 f5 V3 M

( L. ^( Q) A7 K2.3、整机参数:3 y+ [& e/ G/ A; N, m. f! z- c- c
. D1 r1 P0 k; }5 C2 ^3 B
2.4、保护功能测试:; r4 K' A0 A3 p3 e5 W( Q1 E
$ f! j+ h+ g$ B; L/ x% K( ~: q
2.5、工作环境:
  X& [- r! V  P- e1 S: P# A5 W

& L  z5 M- H* x, b- d
' K1 V* Z) m* r! f& k2.6、测试仪器:" i, W9 o& ?6 S. K+ Q* h
03、样机结构信息
" a! }* o) E7 s! x$ y  l, y  x5 k) ?% |/ W- [7 [$ x' d
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。
/ }3 W1 `9 O* I5 L, f" t) b9 x
! `. m/ [9 _$ Z& _% ?3.1、电路原理图及BOM:9 J4 S, U- w2 |' ~
+ @9 \* n9 }) C& v. m! d. e" R
3.1.1、原理图:
& |7 U; F( K# J7 s2 p3 V# \, S; W# E6 x' c% p; J  u* M. K* S# J' E
0 R: y9 }" g0 Q# w: r# s" Q
3.1.2、元器件清单:
0 ]" B! @5 Y, }
, }+ p) y/ j7 i1 w4 f
: o3 U1 K0 C- X9 a$ c
3.1.3、PCB 布局&布线:& J3 v- x5 w# ~3 b( ?" q1 Q
  P3 G, W: j9 ~2 E
PCB 顶层布局
% @9 G% O8 z& w5 {
PCB 底层布局

# _% M; E1 [; n8 D" H
PCB 底层布线
3.2、变压器绕制工艺:; ^  O! u1 r) e/ b+ \' h
4 m0 @' J" H- h5 g4 A4 R; o4 h+ x$ H4 e
3.2.1 电路示意图:
' h3 D5 E, f& R
9 ?  ^* E; J! N8 Q" G' ]; f
3.2.2 、规格参数:9 @6 Y/ v7 @* n- v* M

; T0 h' Y5 b. n0 y+ O1)骨架:PQ2620 磁芯(5+5PIN),Ae=119mm²;
* h+ s( m% [- Z+ Z0 K2)材质:TDK PC40 或同等材质;" W& j3 a, {" e: x: W4 L1 O/ b% K
3)初级、反馈: 2UEW 漆包线;次级: 三层绝缘线;: Q6 ^# i! `2 D
4)N1 N6 N7 绕组从变压器针脚B 进线从顶部A 出线,磁芯接地;3 h. y7 m5 Z& C" j2 \. T* j- H* @
5)绝缘胶带:3M900 或同等材质;, s; x) }1 b  F4 ?8 s) ~
6)初级绕组感量Lp:0.6mH±5%(测试条件:0.3V,10kHz);
# ~6 j9 }" X9 ^1 E7)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));( z1 h! u% R% I5 h
8)耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min;; b8 O( F# N5 z3 }9 u: i" B
9)成品要求:浸凡立水;' }4 L. z$ p  n' c# t* ~

, R' X. k/ Q' y* B. i3.2.3、变压器参数:
+ _2 O& E6 E3 ?4 m( d+ c# @0 k8 _% a! J$ P% w, U, r) E
! Q) X2 A7 s+ ~% z. \. r! }
3.2.4、变压器结构图:0 u3 U5 ~6 I. a( R

% ^6 B  g+ B" {6 @4 g04、性能测评
& N) U# W, a- m6 \% z( f# O( J  Z8 {: Q' r9 g8 F2 R( p
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。
) I- [) h: X& i% T! C* b$ |! c$ G/ U
* Q* Y, H) e" H2 X( C# I4.1、输入特性:
7 i, O0 i3 i% `
6 p6 Q) ^7 M. y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。
$ Y- Y# E0 \# \$ a$ B
' i# W" E# }1 G, d& X( n: h表1 待机功耗
: r: W$ v% p+ y
5 m  w2 @: i% a6 S+ f$ q8 J) I
表2 输出接1.5M 18AWG Cable100%负载下的输入特性
# A: h2 X7 C, C' r( P
# c, }: p# S7 \# H1 h
表3 效率测试(1.5M 18AWG Cable)$ m$ a; `" y* Y7 I
6 R4 A* _" z9 f# c/ `5 m7 I/ e
表4 效率测试(PCB END): @3 t6 n% H0 @$ s) j* U& a
+ x1 @3 b5 ]$ U9 C3 M$ q* c/ A2 S. Y- f
表5 能效等级评估(1.5M 18AWG Cable)8 ^. z6 ^: D" `! Y; m1 w

+ l7 b3 Y* B3 F3 w6 ]4 {4.2、输出特性:8 B2 p# M+ j( y+ @9 b2 B" R# e# v
6 p# O. h. M6 T- S4 I# s
4.2.1、线性调整率和负载调整率: ( 1.5M 18AWG Cable )% U: O' q% q6 d9 F6 r+ t
$ ]2 J: h7 l% D
7 r* p2 k$ b- I% W+ c! @& m
4.2.2、输出电压纹波:
8 b+ F, F  \6 g* S6 X  X2 F8 k/ e& X: {! Y3 y
注:纹波及噪声在1.5M 18AWG 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。$ @/ V% s6 S& ]; R4 {( `

: C+ j9 \: m# m; Z& @

9 |  r% E! ^, D
R&N @ AC90V/60Hz,No Load
4 Q$ W' }( ~& ?
R&N @ AC90V/60Hz,100% Load
" C6 }% ?' ?- ~$ m7 L6 n! w8 `
R&N @ AC264V/50Hz,No Load
8 _0 x$ {2 q/ H# J
R&N @ AC264V/50Hz,100% Load
9 I+ E( J% E6 I! c
4.3、保护功能:; t* u& O! Z8 w

' l1 T, _- `9 ~9 r7 D# K, J以下涉及过流保护、短路保护的测试。
, Y  w( q/ G' S: D
# \" C- a" Z7 f- I4.3.1、过流保护:8 e. I8 N( a1 c( `) N
* b2 Q9 ?4 L3 ]' [4 V% p; h

; P  N8 B. v, V+ N/ ?$ Y4.3.2、短路保护:
# b" A, _" G9 h
& `; {3 F. l8 q' ^% v2 q功率计电流量程2.0A,开启平均值模式测量。  R) M$ f1 s9 N% N( \

' U6 t: r5 O. f8 F

' f; f; I6 U/ I' U* K) ~4.3.3、Peak_load 功能测试:' D4 {+ i1 f: V8 R
; J9 J* A6 L, ]$ V. ~
该项测试输出电流设置从A=3A 到B=7A,20mS 周期动态带载,上升/下降幅度设置3A/uS。
9 R6 A: J" }2 Q% p3 a
) M5 e8 f5 S% b
AC115V 发波周期12.6mS,Vo 最低15.6V

+ v* }% z5 N0 Q
AC115V Peak_load 功能升频151.52KHZ
* @+ e  Y: f# R% O2 M
AC230V 发波周期11.2mS,Vo 最低18.2V

" f% U2 Y3 L9 ~9 T. E2 l
AC230V Peak_load 功能升频151.52KHZ

3 D- G2 g* w3 w3 [  o4.4、动态测试:
. H' R) M" }* A* e2 D1 G2 M' f: f: s2 Y9 R) B. p6 A
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0.25A/us。(1.5M 18AWG Cable)
' a" s( g: k& c* p, L) X; S2 G$ }
" T: b; e1 B* ^9 z3 x- T  o
AC90V_5ms
AC90V_10ms

3 O5 q" Y4 J/ c1 [# ^$ A
AC264V_5ms
% Q% U* |3 L) V  C  i
AC264V_10ms

* ~4 W, ?* b3 }) r. \/ h$ E8 i4.5、系统延时时间测试:
) s* m( C) {) g- V- @; Y$ ?' m$ o3 e5 H
TON_DELAY @ AC100V,100% Load

; }0 Z. |/ N+ L& A% ^# Q
TON_DELAY @ AC240V,100% Load

& i9 X/ w' D  W) X. I' G
THOLD_UP @ AC100V,100% Load

( k/ A" n9 ^  a2 A9 Z- u9 }
THOLD_UP @ AC240V,100% Load
9 F' ?  ~5 b. B" {& {
4.6、其它重要波形测试:
' I9 Y/ Y5 ~8 H8 q2 X& L( ?+ D% i7 f6 y% R. \8 k- b
AC90/60Hz,100% Load CS 波形

% A/ K5 s7 A- ?, i! N, d% V$ P
AC230/50Hz,100% Load Gate 波形
, A) d. q# i" S, O5 U" l5 f
AC264/50Hz,100% Load 输出肖特基波形

( D! \. @7 B) R% k6 D
AC264/50Hz,100% Load MOS-D 端波形

* H/ Z  c5 }) _, y! z4 b05、温升测试
. D0 e- V: |9 ^8 o% w* P* a( [& B0 a8 J3 h
测试条件:带外壳在40℃环温下长时间带载3A 老化。
/ y3 j+ ^1 f. ~' v( O0 v. k( a/ m% |5 j: s5 w

1 v  Q4 @8 @/ d4 F) G; _06、EMI 评估测试8 [$ w) E1 s1 x2 K6 Z3 l5 Z
: j  l4 _) `4 J3 D% V1 N3 I2 o) Z2 h
测试条件:# {" [8 @. l+ k# h/ O/ X

) V8 r* f( G" T" {输入:AC115V/230V;水泥电阻阻值6.67Ω,带线1.5M 18AWG 测试;
$ B& E9 j; N2 w4 w3 [, z6 @- V限值标准参考:EN55013、EN55022B。(测试结果仅供参考)
" P8 O, K1 s* [2 A' x8 c0 r. i% W8 _6 B  }& F
AC115V 传导L 相
7 @0 j' R4 |' k6 P& N/ }% q+ @5 ^
AC115V 传导N 相
/ m6 e3 p- K% I. Y" v) B* n
AC230V 传导L 相
' x( L) Z( ?. a
AC230V 传导N 相

7 A% b# N8 p3 M6 \
AC115V 辐射

# g7 d2 E/ D7 W4 w7 R5 z5 }; L
AC230V 辐射

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