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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  l6 ]7 ~8 V5 O. q& |) o# y本文，我们将介绍的是CR5249_18W 电源适配器解决方案。
1 n# G2 a' w7 h% O
, s9 G+ s+ I5 ~7 a8 G7 Z# ?01、样机介绍

$ P/ y2 X% ]. \' l3 _4 z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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- j, T' k  S  G. h* {

CR5249_12V1.5A 工程样机示意图

CR5249
% m& Z; L- o" V( g' k. `, V
. x5 d+ q& N8 x7 K: V: T8 n/ o9 wCR5249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。
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" c9 J8 x* `3 ?4 g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。
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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。

' B# W) I  @7 }* j3 h芯片特性
" ?# F/ i& p+ ~  l
● CR5249 是DIP8 封装的新型反激功率开关
/ ?, u& b/ m8 U4 h" d  Z● 内置软启动，减小MOSFET 的应力，内置斜坡补偿电路；
1 W; X2 f) i7 b● 65kHz 开关频率，具有频率抖动功能，使其具有良好的EMI 特性；
1 f, ^2 Q9 ?' S● 264VAC 输入待机功耗:<75mW；
7 v& W5 j2 |! d# N6 J● 具有“软启动、OCP、SCP、OTP、OVP 自动恢复等保护功能；
3 s$ k1 H- R9 D' \$ 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

6 A' @3 U6 ~$ L. F0 Q1 @基本应用
8 c% \) r! D1 x+ J% ^) s; K. f
5 I3 r0 F; E# w/ j" {● 电源适配器
# n6 T+ }# m* P& i$ o# u2 M● 开放式电源
* ], I  T: p7 `& U( {● 数码相机和摄像机电源
. V  |* b$ L" U/ f● 电脑和服务器辅助电源
, v* p+ [, l8 z4 w& ^● 机顶盒电源
● 掌上电脑电源

1 ]1 }  `# ?4 l引脚分布
0 J9 v# J/ I3 l9 v/ ^8 B
1 }$ N: O$ G) t, z; A% c

引脚描述

% f& T# N! s, v" P4 M

典型应用
; {  B3 ~& ~  j* y5 A+ x- ?

( U; g' M  J( i6 ?3 c$ D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。
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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。

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。
: u/ c7 f& U) ~9 l
2.1、输入特性：
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9 s$ G- x8 X: \, {, M8 T1 @# ~
- m: Z$ L2 _9 j* i3 M5 l2.2、输出特性(PCB END)：

2.3、整机参数：

7 X& F, ^7 K" T- }2.4、保护功能测试：
! U. w4 F) E# D

2.5、工作环境：
! @1 M# P+ r# a1 H5 }% z

2.6 测试仪器：
* s; ^  Q5 @' {

03、样机结构信息
: d! X3 D. i  L7 m) {8 C8 _
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：

7 u/ X. z, y- k  k( R3.1.1 原理图：
( h- B8 W$ W( C* r% o; j0 `& M

2 j: Z3 D" }3 p9 ?5 t$ y3.1.2、元器件清单：

% `, j9 T3 o; \7 H, O; ~4 \9 {

3.1.3、PCB 布局&布线：
. D* d8 c( j  e* L7 d/ q

PCB 顶层布局

! r# e/ a" V* O

PCB 底层布局

% s7 ~* A; b4 {2 w% y3 r

PCB 底层布线

" `* k( y3 D, h+ @: n3.2、变压器绕制工艺：

- k5 O7 w  O  I+ B3.2.1、电路示意图：
) q7 ], }4 s; `8 s
4 b) I1 l& \/ b" z

) v; O/ U! t& X: ?# g3.2.2、规格参数：

1）骨架：EE19W 磁芯加厚立式（5+5PIN）,Ae＝46mm²；
: r( ?+ n4 ?' i* T2）材质：TDK PC40 或同等材质；
3）N1、N2: 2UEW 漆包线；N3: 三层绝缘线；
9 ~; D3 H; r4 ?, U. q6 e4）次级绕组从变压器顶端进出线，磁芯接地
# {& R' j; J" q5）绝缘胶带:3M900 或同等材质；
6）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）)；
6 `1 Z# ]- N! c9 w3 q- K8）耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min；
. ?- P- t, `) P. P% G9）成品要求:浸凡立水；

3.2.3、变压器参数:

3.2.4、变压器结构图：
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4 ~/ @4 n# ^0 r04、性能测评
1 [5 V( @) @+ Z* o  {% g* N- \
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。
( q1 {$ Z; M% H( U3 ~. p7 S
' ~- F# ~. n) d' d4 A% W3 c) d9 ]4.1、输入特性：
8 s- P* V7 P6 S  _5 [6 H
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。
3 e2 ^6 H4 l3 ~* ^; q* r5 l) E9 K
表1 待机功耗

' s$ D- z3 \8 o+ I& I0 T
9 c& b& |- H, ]8 G0 k表2 输出100%负载下的输入特性

; `& y- p6 r/ U6 y! ~" a  S
表3 效率测试（1.5M 22AWG Cable）

) J  V0 x- S) O
表4 效率测试（PCB END）

表5 能效等级评估（1.5M 22AWG Cable）

3 ?! a0 l( y+ y' V4.2、输出特性：
& d' o- h( q$ T. F3 i
4.2.1 线性调整率和负载调整率: （ PCB END ）
2 [; D0 J" L+ ?9 O: ~6 }- Y# l

7 H+ y% |7 I* f- u! Z8 g4.2.2、输出电压纹波：
! @; N+ E8 o5 _) u0 G" J
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。

R&N @ AC90V/60Hz,No Load

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

: w) {5 f7 V" w7 @% a

R&N @ AC264V/60Hz,No Load

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

7 K, Y" B, H  e( s; K4.3、保护功能：

以下涉及过流保护、短路保护的测试。
. F1 f$ {4 T- B( N( S' b. U  V
4.3.1、过流保护：

  A# M- ]! I: l, g2 {$ J& V2 i4.3.2、短路保护：

* u7 R! h/ X& ]3 R6 s, c* [- d% S功率计电流量程2.5A,开启平均值模式测量。
5 U- i* I, \5 E' f% a- b

/ J; J( K: C1 Q" i4.4、系统温升测试
! P9 s( |9 K3 V
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。

* i% `: S$ C% w4 x' j

测试样机及配套外壳

$ H0 ^  ?1 @3 q& B" X# ~1 F* O( ?1 n! ^

4.5、动态测试：
0 j! ?* m3 I/ P4 e' D- V
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( m  |7 Y8 r' [$ t5 f8 M# W
5 y5 d4 v! {# J$ N. A& z" J

AC90V 5ms

3 i6 J  S+ c/ o/ W2 U4 u. V& r

AC90V 10ms

AC264V 5ms

4 y0 I! I, y. e

AC264V 10ms

, l: ~' d% l" N! ?& V4.6、系统延时时间测试：
4 _- f4 t  t+ z8 H0 C( |8 {

TON_DELAY @ AC100V，100% Load

4 r7 c( \) q  k8 r3 c

TON_DELAY @ AC240V，100% Load

THOLD_UP @ AC100V，100% Load

THOLD_UP @ AC240V，100% Load

4.7、其它重要波形测试：

DRAIN（蓝色）端、CS（红色）端波形图：
* Y$ I- v. p$ A& i6 ~  p) a

AC90/60Hz，100% load

$ u6 h8 {/ M2 b9 W& }

AC115/60Hz，100% load

AC230/50Hz，100% Load

AC264/50Hz，100% load

其他波形测试
6 `( q0 S8 W& P* o3 s

AC264/50Hz，100% load 输出肖特基电压

AC264/50Hz，输出短路，VDS VCS 波形

* b+ T& w$ y+ \! x+ L* S05、EMI 评估测试测试条件：

# u+ z, w* a" A' l* x! v输入：AC115V-60HZ/230V-50Hz；
输出负载50W 8Ω大功率电阻；
限值标准参考：EN55013、EN55022B。（辐射测试结果仅供参考）
2 S  H1 y, D/ ?6 z9 _$ Z
) ~  a* Q% ?2 O. c) P3 A

AC115V/60Hz 传导L 相

AC115V/60Hz 传导N 相

4 e0 K- T* `5 p3 I% f3 K3 N

AC230V/50Hz 传导L 相

AC230V/50Hz 传导N 相

AC115V/60Hz 辐射测试

( r" K# _  y& Q, \  m* O

AC230V/50Hz 辐射测试