基于高性能、副边检测电源芯片CR5249_12V1.5A适配器方案

思睿达小妹妹

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  T* E% i! F3 d& i" i) v本文，我们将介绍的是CR5249_18W 电源适配器解决方案。

9 X6 R7 E' }7 B0 r0 s1 T6 w01、样机介绍
: ]! X0 T+ S3 |  V+ r
! X6 v# }2 x: ?+ G0 [" x该报告是基于能够适用于宽输入电压范围，输出功率18W，恒压输出的电源适配器样机，控制IC 采用了本公司主推的CR5249。
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CR5249_12V1.5A 工程样机示意图

$ p: |4 [9 i* s3 E1 oCR5249

1 V: i# ?/ y) o& K& hCR5249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，CR5249集成了多种工作模式。随着负载的变化，CR5249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。CR5249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。
) V) w6 L& @7 \- d7 n/ H0 a& z
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。

CR5249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。
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芯片特性
( G: L( J% m- x6 K3 f
● CR5249 是DIP8 封装的新型反激功率开关
● 内置软启动，减小MOSFET 的应力，内置斜坡补偿电路；
● 65kHz 开关频率，具有频率抖动功能，使其具有良好的EMI 特性；
● 264VAC 输入待机功耗:<75mW；
* Z& ]# a6 N" K; J0 C2 t$ v● 具有“软启动、OCP、SCP、OTP、OVP 自动恢复等保护功能；
$ b7 p% E1 D5 v) |$ B" m# m; V● 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。
● 能效满足DOE Ⅵ 和CoC V5_T2 要求

+ S5 v$ Z+ k; U基本应用

- W( l& r' a; `; O! |' Q: D2 ?, N● 电源适配器
' d2 c" {$ H: M8 F● 开放式电源
- h9 ~3 d  f9 w4 H+ w; d: _● 数码相机和摄像机电源
& A4 q* V) e- a( Q+ ~  x) Y● 电脑和服务器辅助电源
● 机顶盒电源
● 掌上电脑电源

引脚分布

引脚描述

* }- P( D# E% r/ I0 n; x. h典型应用

样机PCBA尺寸：66*39*24mm，是一款全电压实现12V1.5A输出的电源适配器。90VAC满足启动时间的条件下，实现AC264V样机待机功耗仅为72mW；全电压输入时平均效率>86.43%；输出接22AWG1.5米线能够满足最严格的“COC_V5_T2” 能效标准。
- ^- s3 \* k  O+ h( ^$ {, E
" p- L  `, a9 L* c) R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。

, g/ [; j( R. a; E样机的变压器，采用了EE19W加厚磁芯（PC40材质）。变压器绕制工艺部分，请见后文详细说明。

02、样机特性

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。

2.1、输入特性：

3 e2 m- s; W( I5 }. |& b0 g2.2、输出特性(PCB END)：
; k9 K2 I) e, G7 h! I; ~

2.3、整机参数：
" I! G" d2 D/ B5 K

2.4、保护功能测试：

: v9 o" I& H) S7 w6 c* b2.5、工作环境：

2.6 测试仪器：

03、样机结构信息

  H6 ~, [) O2 M3 g- b% [3 u3 x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。

3.1、电路原理图及BOM：
0 d, z! o1 ~2 Q; L, J5 a3 \) x
3.1.1 原理图：
7 F: X4 l" C6 U

( k5 F1 q, R$ q6 ?% _# V* ?3.1.2、元器件清单：

) j9 Y2 V- S# T

6 j. `6 B, O, G  W& P% J) t3.1.3、PCB 布局&布线：

) c  w6 v2 f" m2 }

PCB 顶层布局

PCB 底层布局

PCB 底层布线

3.2、变压器绕制工艺：
) Y" `4 `6 x: X6 p) e% a1 r) |
7 B, {2 D) b+ J3.2.1、电路示意图：

+ a' S6 y! I# R4 u/ X% _7 j3.2.2、规格参数：
; ?6 o0 N" C' h7 {8 I
. a5 \& n4 q+ }& }, P1 c. [8 ^, r1）骨架：EE19W 磁芯加厚立式（5+5PIN）,Ae＝46mm²；
/ {. J# b" A1 Q8 t  `2）材质：TDK PC40 或同等材质；
" {* c' X% ?$ m8 y) V6 ~$ P# B" k3）N1、N2: 2UEW 漆包线；N3: 三层绝缘线；
7 M3 [$ T, T4 j4）次级绕组从变压器顶端进出线，磁芯接地
2 V4 O; J& L$ K5 J# l5）绝缘胶带:3M900 或同等材质；
( o: M" X1 M( E- v3 m' j: Z6）初级绕组感量Lp：1.8mH±5%（测试条件：0.3V，10kHz）；
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）)；
8）耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min；
9）成品要求:浸凡立水；

/ k  Z' |7 J# i+ n& q/ x: G3.2.3、变压器参数:
/ N1 k4 D. @1 _* @" _

3.2.4、变压器结构图：
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9 o" J# n) }" @, C

" E4 W# V& D* }  p" |04、性能测评

, f3 w( o8 R0 C* m* X9 F* ^, b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。
  [. n1 h0 N* @$ y
4.1、输入特性：

5 ?3 M4 c8 X( t4 _( w% z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。

表1 待机功耗

表2 输出100%负载下的输入特性
6 {3 j, ^; G7 o/ g( Z2 G% v9 A2 U

# [. K4 ?& e8 O) c表3 效率测试（1.5M 22AWG Cable）
$ r. `3 l  j, w& ?; d# X4 O9 _* y

表4 效率测试（PCB END）
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% o' f- y4 U; Q- t* F- {( J表5 能效等级评估（1.5M 22AWG Cable）

7 n2 X9 j4 c' v* Y+ S" F
" O* c' I. L- p4.2、输出特性：

+ j' b( ~' P% a& w" O4.2.1 线性调整率和负载调整率: （ PCB END ）
6 H; @$ W4 i  K% ]- f% e/ {+ o: H

4.2.2、输出电压纹波：
3 g% G, T8 b' z
: W$ f( ~' q9 R$ l/ j9 D* M注：纹波及噪声在1.5M 22AWG 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。
# s' ?8 x  G; [0 F0 ]
3 l! Q. C. J+ a3 B% S  \

R&N @ AC90V/60Hz,No Load

6 ?3 Z5 [$ d; _, Y, ]$ G, }) R

R&N @ AC90V/60Hz,100% Load

R&N @ AC264V/60Hz,No Load

' V1 c! q5 ^3 P" I) m4 p. a

R&N @ AC264V/60Hz,100% Load

4.3、保护功能：
1 O! y. z. G4 S" b5 ]5 {$ S$ [
以下涉及过流保护、短路保护的测试。

& r4 l3 @) K/ G4.3.1、过流保护：
4 ^6 j8 ]# z% ]4 b0 S# f% i

3 k9 V8 ?, X  G: q& x& b6 P, E4.3.2、短路保护：

% A5 t9 u- z1 w' q/ A& @. Y. [. ]* a功率计电流量程2.5A,开启平均值模式测量。
- U  W, ~' m1 P- a8 T

4.4、系统温升测试
; l8 y  z; X3 w$ T
6 n5 u* w1 F8 l5 Q, o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1.5A。

7 q) X7 U) A; {  r5 {. A* t

测试样机及配套外壳

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, b( q* h0 f  G3 i# o+ N

4.5、动态测试：
- \& J$ B) I, v' [: x% t) A
& e1 v0 m% C1 E2 z8 D输出动态负载电流设置为1.5A 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。(1.5M 22AWG Cable)

% F# c4 v! ~  M( c! j  r9 B% k; M' Z

AC90V 5ms

6 k, s& x- \& _% i8 F

AC90V 10ms

AC264V 5ms

! D; ~# C# b* k% a, P+ m' b+ F' }4 c

AC264V 10ms

# q1 W% U; s1 G& k4.6、系统延时时间测试：

TON_DELAY @ AC100V，100% Load

TON_DELAY @ AC240V，100% Load

  T$ g; y! O' S8 }

THOLD_UP @ AC100V，100% Load

$ W; K0 ^) {8 Y* ^3 h& k

THOLD_UP @ AC240V，100% Load

7 S' U+ Z4 x7 f& i: Z: F. |6 u; c4.7、其它重要波形测试：

& y# y  w) Q6 v9 {DRAIN（蓝色）端、CS（红色）端波形图：

6 [$ m2 p$ b& L

AC90/60Hz，100% load

2 @* S2 t$ G$ q) l3 D, K1 ?

AC115/60Hz，100% load

3 ]; W  h8 p8 J$ t9 c6 z, H' T

AC230/50Hz，100% Load

AC264/50Hz，100% load

其他波形测试

AC264/50Hz，100% load 输出肖特基电压

3 J6 v3 x5 q" ]0 D2 R

AC264/50Hz，输出短路，VDS VCS 波形

  U! |. f) Y( W7 \; v" k8 h& i05、EMI 评估测试测试条件：

' v, u0 T4 q5 |9 R7 g输入：AC115V-60HZ/230V-50Hz；
输出负载50W 8Ω大功率电阻；
; x9 x! \. }% x+ F: U/ ~限值标准参考：EN55013、EN55022B。（辐射测试结果仅供参考）

: w' ~: ^# K7 t( k8 b

AC115V/60Hz 传导L 相

6 T) Z5 [' l' _$ }1 v$ M

AC115V/60Hz 传导N 相

  y% p' z  R/ N

AC230V/50Hz 传导L 相

* u- g# f$ A$ b! a- \& P6 p

AC230V/50Hz 传导N 相

AC115V/60Hz 辐射测试

% E, X( I5 ~7 s: L: T' }9 N

AC230V/50Hz 辐射测试