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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 - n- n8 H9 b+ ^0 t" }* E! e

* _: E2 U' Z2 W! p" t& w6 V5 X: L0 U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。. Q, @+ c& l; A
; K" l3 @) ?% T+ |, s/ @$ k
01、样机介绍
6 W2 G  o7 P' _4 t& o1 M( w% q/ v
1 D  D5 e  w7 B" D5 j7 v6 ?. 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。5 R: Y  t7 c2 T/ L4 A( S
5 ?4 X8 G& J5 l
CR6890H_20V3A 工程样机示意图

7 B1 J4 B/ \! {  E+ e0 d& @& Y0 ?CR6890H 芯片, \8 O' Z/ a1 t
* o. @  H! {& n. J1 ?. W- O
CR6890H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 b8 C8 q% g' I/ i. S( c; I/ Y0 s/ M' B- Q" I/ n
特性4 F( C" N. i! u+ t+ R9 Y

5 t( H* b" S6 V, M; Y. y较低的启动电流 (大约3μA)% S' z6 V9 x" T. P6 m5 M

3 g' z, `# L- T3 j  X! S内置软启动减少MOSFET应力: D& M1 a" n- R0 f  v& O
# r/ W8 E* |5 o& q8 X% y! T
带有Peak_load 升频功能;9 r( Z- ~0 v7 s  |- P
+ w: I) \, k# F+ d3 N0 ~; m8 B. e/ }0 L
CCM+PFM控制模式) \: ?- L- B- Q+ e

7 S+ M6 a1 P& T: P# W! |内建同步斜坡补偿,消除次谐波震荡( K/ A0 I8 X: `; L4 `6 h' r$ w1 w

7 \9 \& e( L3 {/ }' z内建频率抖动功能,降低EMI( o6 Z% J5 A+ O% a+ g6 r; m' O
# `/ U( V  l( f1 ?
内置65kHz开关频率4 |" C2 M" g+ S; [2 D

4 i1 L! g3 @4 F' c4 z轻载降低工作频率
+ }5 Z/ l0 i0 ^/ @4 J, B/ @# \6 b! d: D0 P: g5 l- l, |
15ms倍频模式
- }3 ]( n' Q" _; e; I9 H; H6 E, S. o
2 L& A4 z% U; f$ n+ g, T, Q. W可编程外置过温保护并进入latch  ]. m2 D' \2 p1 t" C1 L
4 h& i% r: h  t
VDD过压保护和输出过压保护功能并进入latch' x' e( \, H- f: S

0 `. x, x4 i0 k' u6 x( ?内置前沿消隐电路" C# s9 a8 a9 _2 q) Q
5 N, h3 T* ?2 G- z  a2 F8 ~
内置输出二极管短路保护* r2 e& z. [' w+ c8 H* R/ R- a4 z  j
5 T, u0 k2 l  O1 f
内置过温保护并进入latch# Y3 Z: @0 h' \% o9 T8 T

8 V9 U: B: [. P! x" X+ v过载保护
" K8 z( I! V# u; e$ j$ n0 l) q8 V" }) F
SOT23-6L封装  F2 U$ a; A! v

' ~/ t8 d4 n+ {$ 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。: G2 D! ~: W3 b4 G9 ?7 t

; A( L2 i6 q4 o% j4 `% h' Y基本应用
1 ~/ ]! R$ p# S: E/ z* R6 [% Y
( Y& a. I4 d) q: ~+ P0 H; OAC/DC适配器; w8 f- t3 U* H- _
4 u" p. G0 o; D2 w! _' _" K
电机类适配器9 C8 a3 _. i4 Y
0 Z9 \5 B8 Y/ V# }2 w, [
充电器
* k( W0 G0 @" T
5 A' a) o# U* o" i3 V存储设备电源
! M0 W  N, {* `7 g+ k) R
% L- E+ X  B' D. e' Y典型应用" E# B6 K# ?& A. K4 q  L1 c
$ A5 @; Q* U7 ]1 K" T6 o

, ?& p6 {) {8 U- `' [管脚排列
! I1 ~  u: R( X- [* Y2 {4 R
1 k5 e7 y& x0 ?" p! z+ ^3 _- k
管脚描述+ t( q! ~3 [) p0 k9 E, [
" s1 k& L& h% }' v. ^( v" [/ m
0 H3 w+ Q  m2 T. l
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。
) F8 `. {( |$ M6 f+ X) A4 i" a
: Y+ `2 f8 L/ D, N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。
/ P+ U. q1 C, g4 o
2 {$ f( _: Q( u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。
1 `1 j# q% e% o  |9 N7 O) z7 r# ], S, K% ]3 _
02、样机特性4 A1 P+ c) r" z
1 |2 G% o% E6 w/ ^2 p6 o
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。
! i* t0 o; O: f4 G" T
& z) h" Q- G$ N, X5 _& }2 J: Z2.1、输入特性:4 {, W* b# n7 B3 w( W- X; P9 B2 W

. |2 M+ ^5 C3 k, d8 p1 ?; e* p5 X2 i) x$ T6 L, `& p
2.2、输出特性(PCB END):3 i; u' f" V% L+ E, Z
7 O% c( K. S+ U  A

. C0 E8 B1 y& B2.3、整机参数:! }& T) S8 W) E
9 z& t8 ^0 y: Y4 P; D
2.4、保护功能测试:
$ o" _# S) q9 B8 X( d* x1 k

% Q) m5 `5 p( }6 `6 @- \  v9 b2.5、工作环境:. P! ]3 X: \  R& p. D. h6 o  E3 [
* N  q" ]# F+ d' Z# K" s

4 Z. B) x# |3 s2.6、测试仪器:9 J7 O  \, c- p8 l; u
03、样机结构信息1 H1 j" R" x* R5 }
% Z! G$ l$ Q$ _
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 B1 r/ {; J, Z. O( U0 C
" E$ b% p0 c4 p2 V+ e
3.1、电路原理图及BOM:# f# M( o" p1 k* B2 \3 H
) v- ]+ [. Q% q7 E
3.1.1、原理图:
- ^" `9 e# |: }  ]; A3 O
* K+ k2 U0 s0 ?5 f# k- {

/ Q2 I' e3 Z* u  H3.1.2、元器件清单:& l3 i2 |' D: T2 @$ g
( ^; C) k5 I. u# e% H9 M

2 a, I: d0 }# |3.1.3、PCB 布局&布线:
  w( @% g- K* ~% [4 ^% I: I% ~
. O" L0 N5 R& T1 G/ p
PCB 顶层布局
# Q4 K8 T: E& g, h
PCB 底层布局
; z/ J$ Y( Z" T* n& n3 _
PCB 底层布线
3.2、变压器绕制工艺:
' `5 C; ?/ L9 \) S0 |9 }, ~7 s: P* R" H( C
3.2.1 电路示意图:
! y2 K% G3 ~1 g  q

  j- v1 _1 X, t' S6 x/ ]3.2.2 、规格参数:
3 c# Y3 y; j: S. h- P7 O# N4 |# x& h8 x& {3 b* y, }
1)骨架:PQ2620 磁芯(5+5PIN),Ae=119mm²;& Y! M: w! }6 U) @2 \5 [6 q1 B
2)材质:TDK PC40 或同等材质;" V5 e, z6 A/ ~9 h
3)初级、反馈: 2UEW 漆包线;次级: 三层绝缘线;
/ z" a. ?# V/ w& C; F" N5 ^5 O4)N1 N6 N7 绕组从变压器针脚B 进线从顶部A 出线,磁芯接地;
% E( B' S4 i0 a& E5)绝缘胶带:3M900 或同等材质;( f% y9 r+ Z( y5 Z: R8 e$ v
6)初级绕组感量Lp:0.6mH±5%(测试条件:0.3V,10kHz);
6 t3 ?+ E  Q4 L; c7)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));
% l3 w( t0 z) c8)耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min;: i7 I1 m: G7 a6 J4 M3 l% Z
9)成品要求:浸凡立水;5 b7 I8 K5 b- p2 |, ~

; {1 Q3 t# i2 o$ n! F3.2.3、变压器参数:
- l: A8 ]0 p' ?7 V" h/ e% C. F2 Z5 `0 o  F: J8 p& }3 w. A

+ W( \) j9 }; o' j( o3 z9 m4 T1 Y3.2.4、变压器结构图:
/ Y% I3 w- j- r1 C% P
) i/ e9 m8 P5 a5 V: z: u  u+ r5 N; x
04、性能测评- @& c/ [5 R) [& U4 P
0 G" x5 J$ E) K
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。/ D+ ~  a, J0 ]5 f3 j- i: H1 v

! a0 [' u: U+ L! e4.1、输入特性:
  R3 j% L- k+ o$ X/ S4 E  H9 \9 O+ B
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。" F# \; L$ ?3 H% K6 `- r8 S

3 E! _/ `# E& a! ?# k" d表1 待机功耗
2 k0 E; [; t2 ^7 ^& f
1 B: s, L7 p3 h. G% i
表2 输出接1.5M 18AWG Cable100%负载下的输入特性  ]. ~* P# \3 F  `
: n9 H* ?( E6 j2 s3 m
表3 效率测试(1.5M 18AWG Cable)
* o% q! `* @% Q" X/ o5 v1 t

# C$ T* ~" D8 y+ w- W0 j' d表4 效率测试(PCB END)' I2 `: S1 h  L6 h/ h/ g
& c& r- E' W2 t& e  G, A7 w, G
表5 能效等级评估(1.5M 18AWG Cable)( ~9 v- q& L$ b& r: e* Y
$ y# ], p6 @8 e; l! L- U4 d3 P
4.2、输出特性:
7 x6 |/ w6 S% T4 w4 b* s- l4 L9 G) w7 n6 Q, U. |0 _( C5 P
4.2.1、线性调整率和负载调整率: ( 1.5M 18AWG Cable )
" I  E0 e9 V5 b+ d3 P$ [- b

4 ~' r! W5 [9 H, A9 N
" E' A) [& L$ r; E8 ]4.2.2、输出电压纹波:
) r  m$ v9 Y: M4 ~( ?+ v6 [4 L; ~' Z2 x" x. g' J" _
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。
* w5 I. F3 ~2 u% h6 x4 C; }- S$ e9 y) L, ~& B) x
( r# ]6 V, i# l, |. ]; k& k' C
R&N @ AC90V/60Hz,No Load

  |6 o8 |/ F5 g: W9 ^
R&N @ AC90V/60Hz,100% Load
9 d& Q% v6 g* X$ P
R&N @ AC264V/50Hz,No Load
7 ]1 `  n& f" _1 |  _
R&N @ AC264V/50Hz,100% Load
0 l9 z  K' |" Z$ a8 G( D
4.3、保护功能:
0 F; y1 C4 c4 T, ]2 N5 w) b# E9 Z2 H
3 \0 m: q) j  G3 ^- T以下涉及过流保护、短路保护的测试。
) }& X9 P* D! o7 M4 K  l
" P# V6 T' u+ B, |& y0 C% K8 D4.3.1、过流保护:' |3 ^/ c* g& D; s' E) {8 j

) }/ M% z' w" b* f2 I' |

2 M; E: G  M' u) P9 B6 p4.3.2、短路保护:% r5 W& y% E3 L' B2 e5 l$ K

; m2 x: [* y8 ?功率计电流量程2.0A,开启平均值模式测量。  s/ k" m# f0 G9 T

3 R! w& ], l1 D$ _. f. o
6 K$ z4 r4 g* m0 r8 Q# [, j3 r( s
4.3.3、Peak_load 功能测试:
0 _, ~1 v! v+ e$ A8 d
% _+ d( V  h$ Z* ?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 W' j7 g$ s: {$ B1 G8 k2 N5 h7 `- R0 I( `! d- Z: r/ f
AC115V 发波周期12.6mS,Vo 最低15.6V

- j- Q. q9 g: q7 J) m7 `
AC115V Peak_load 功能升频151.52KHZ
/ f0 D2 d( w% K' O
AC230V 发波周期11.2mS,Vo 最低18.2V
+ q4 B- p0 d6 \. g! K& B( ]- J( T
AC230V Peak_load 功能升频151.52KHZ
, F% G0 [6 [$ k* L2 ?; t) I/ n
4.4、动态测试:1 M- ~% @7 B, j! S
# o% ?$ V2 N' z7 U# H% M, J
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)$ l1 P# ]* {" E/ T% y7 l# X

1 i' h: ]$ R, j3 I# r  d
AC90V_5ms
AC90V_10ms
8 N- H2 ?; \% ~
AC264V_5ms
& B/ B8 Q2 {2 Y7 G, _3 d
AC264V_10ms
% ^  E8 m9 K- W! I& _8 C4 Y$ v
4.5、系统延时时间测试:  a. u' G+ p+ {9 C% }# p4 t
( r3 G6 F( f& |" A! n; `# L: U
TON_DELAY @ AC100V,100% Load

8 Z* b- q) j1 T( C! m# \; n8 O
TON_DELAY @ AC240V,100% Load
: q9 A* U0 n9 @5 d) q2 G9 ^
THOLD_UP @ AC100V,100% Load
6 r! X0 u8 ]$ X7 X( C1 m
THOLD_UP @ AC240V,100% Load
5 t$ J3 ]$ k$ ]% k* \
4.6、其它重要波形测试:& l) ~# Y) q2 f
& t- r& Q) K8 T, K" N3 A9 n* E
AC90/60Hz,100% Load CS 波形
1 G! z8 d  N3 ~- v* p4 }! n
AC230/50Hz,100% Load Gate 波形
5 ?  J# Q0 e. M( M  q
AC264/50Hz,100% Load 输出肖特基波形
+ r" Q  a  x( f, Y  v+ m, n$ U5 H/ A
AC264/50Hz,100% Load MOS-D 端波形

; m- E- h1 b' Z$ d9 I) K0 q' t, f05、温升测试
- D1 v( ~' t( o) k' c" @! p  i0 {5 b/ ~# R
测试条件:带外壳在40℃环温下长时间带载3A 老化。4 r, e8 C! z- Q: B- F

# B( C. i) ~3 p! ~: n( v
' y- k! ?+ b' F. m) y5 T
06、EMI 评估测试
  [& O9 R6 U1 l4 l+ d0 t. L7 t2 x  Q/ A. ^) @: p! N
测试条件:) _, D6 C4 e# v# M

; O' M7 k! i- o- {" W输入:AC115V/230V;水泥电阻阻值6.67Ω,带线1.5M 18AWG 测试;4 y' r+ [, s! d3 `; h
限值标准参考:EN55013、EN55022B。(测试结果仅供参考)
7 M; o. w( @4 {, C9 }
7 j' Y$ l8 B6 c. l6 B
AC115V 传导L 相
1 ?" e3 P# g2 G, u
AC115V 传导N 相
9 |( K) ]3 r. Q" @
AC230V 传导L 相
* }* _. {* [1 ^8 T) Y/ v
AC230V 传导N 相

, m! D: N; A: h
AC115V 辐射

/ C. P& o+ ?& C9 y& \0 |
AC230V 辐射

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