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基于高性能、副边检测电源芯片CR5249_12V1.5A适配器方案

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发表于 2022-5-13 09:46:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 思睿达小妹妹 于 2022-5-13 10:06 编辑
! @0 r" P' [5 T- p5 e& N& R& M
$ `+ w; h: ^0 _. d本文,我们将介绍的是CR5249_18W 电源适配器解决方案。6 {( }7 ^: h2 k2 @) @7 e( V

( i( L& F& z5 K$ C01、样机介绍

; |4 K+ i& H4 n- b% W
' v' L9 g$ C7 d4 C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。: D( `' w0 }- ?/ F0 U
/ U* ]! o! ^/ J
CR5249_12V1.5A 工程样机示意图
* v' a1 r, W( C5 Q8 K* l
CR5249
2 `+ |8 D8 b/ o( |6 }# f
& @5 M! y# I; v$ {+ r4 p7 fCR5249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。7 p1 Y5 q- q" y3 ]% ?, s
1 G5 @9 i( o. E2 i$ o2 w
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。% k) F$ O8 @& v/ t8 V. ~" n
* b3 |+ c2 x; H+ L* w( P" _
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。( f$ ]9 v) k% d6 u; K

( F. c' A# s$ y: p9 T9 u芯片特性
9 p: j$ G$ g! u
# w1 [( Q9 g5 Q% e● CR5249 是DIP8 封装的新型反激功率开关
6 T2 ]" b$ h& u8 ]* _; x5 o+ s1 @● 内置软启动,减小MOSFET 的应力,内置斜坡补偿电路;; b  t) V: F9 F
● 65kHz 开关频率,具有频率抖动功能,使其具有良好的EMI 特性;$ k' v# v4 m/ K& J" U
● 264VAC 输入待机功耗:<75mW;
& ?& |; X; v( q6 {/ p, C0 f● 具有“软启动、OCP、SCP、OTP、OVP 自动恢复等保护功能;* r& s* D7 a( J! v# a, F
● 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。
  d, |3 [1 a' |) z( k/ T6 g● 能效满足DOE Ⅵ 和CoC V5_T2 要求
7 |# Z5 c: p* r$ I* Z5 r8 ?6 P/ B3 H
基本应用5 ~7 Z3 U% w/ I% a; h
7 U4 c& ?9 Q+ C# ?4 p( Y% P
● 电源适配器
  S) {1 c5 y" S( X! ^● 开放式电源0 _: w9 z) G+ D" a1 E
● 数码相机和摄像机电源! e, s" t- ]9 m  S& f; X
● 电脑和服务器辅助电源
4 Y* w% X$ L; J% a, X; b3 Z● 机顶盒电源
. ^' f" Y; O5 l7 P● 掌上电脑电源
8 P) v( z9 o7 t  V& `3 i/ {6 a9 N3 T  w# T5 d7 a
引脚分布
* A& d% D, n- A: Q' ]! V$ A2 G- D: h" L& O- t. Z, G# a
0 i; Q0 {# i3 F; E6 N6 X3 Q
引脚描述
* F: \. c7 k+ A# V; a' ]$ A$ O& [) ?
: j: m' d3 H! G% o4 n
典型应用
' W( c9 Z/ d5 n, \$ s* C- C2 @& i$ [. Z- @
0 g2 S2 Z1 E' G
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。
: m1 c. g' o" b, i( {4 w. ~
! B9 H% I8 s, f% G, h! l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。
& i' h' E( p3 P$ r+ Q" j! ]% b1 j
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。( }. y7 B* q: ~4 }1 A& p

+ g5 R) p- G1 x* N5 @# ?$ X02、样机特性
, |! P) `* j) n) q. p8 _
% w& E, `3 v! i6 c1 a& h: p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。! D5 s& n2 L5 `" b  g

2 E) P7 p0 a' M4 C$ R. X2.1、输入特性:
5 p: e' p( w2 c- q8 b

+ p1 W# a% X+ x3 @+ [
% p4 k: ^' q* s: l+ o) O. e2.2、输出特性(PCB END):
' ^6 U: P  ]: y0 \

8 M# s; r+ H  q+ F. G% `2.3、整机参数:
5 z6 `, d9 h7 k# x! w. h  k2 x
; S1 w) k; q- }  c- e6 |8 f1 A2 l
2.4、保护功能测试:
: z0 q, a  B, ^2 Z& Y+ ~8 {3 J
  q9 b$ l- X( b, J/ _  L
2.5、工作环境:- E0 h  K: T* I$ V4 U& k
5 s7 o$ y+ C7 ?# L/ h/ }* |/ Z
2.6 测试仪器:
% g! E5 ^1 U9 k% {. N+ ~) K# n3 h' i
03、样机结构信息$ _* T# Z9 R5 H! y; C+ I4 e0 b. J1 q" C

, V' h" U! w+ Z$ @: Q& M2 \3 q( K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。. `9 A6 M  b+ P, T
, i2 R7 r0 @1 f# z) L; L1 P% n; g
3.1、电路原理图及BOM:
; G" K3 l: t" H. a+ ~( a4 [+ }7 E2 X) R
3.1.1 原理图:
$ p2 W* A5 W: ?" s( [2 B

1 L: I; c6 b- }, O3.1.2、元器件清单:8 D' _+ H* D8 R8 c" }, {

& b% @8 D* ]8 _' n; h; ~- E
% ]6 T) ]$ k# l, x2 L
3.1.3、PCB 布局&布线:
2 K/ V. s3 r% S; U. @: Y: j3 K( v1 X, E: I% h% I. x- c
PCB 顶层布局
; G+ f6 D/ [/ t9 ]3 K5 `6 h3 t
PCB 底层布局
2 Z. R+ z3 k- O8 P  D# }' G* {* t
PCB 底层布线

8 N( o6 x9 l; [4 r7 M3.2、变压器绕制工艺:
$ {0 K- O1 ~7 f( x# P) D( H$ [% i: L  B
3.2.1、电路示意图:; g/ h* `' L! H/ i% t3 D

) M1 E/ U9 y! ?$ Y
: Q' A1 ~" ^% r% w0 U
3.2.2、规格参数:. H/ N, O$ d2 X0 J3 y9 W
2 l6 W( ^# u' X% V' _3 W. J6 M- f0 y
1)骨架:EE19W 磁芯加厚立式(5+5PIN),Ae=46mm²;
" d" X& U- B* F4 n+ o2)材质:TDK PC40 或同等材质;
, R7 v6 ~; @* R' y3)N1、N2: 2UEW 漆包线;N3: 三层绝缘线;& n: x$ B+ m" d1 X# z; m3 V
4)次级绕组从变压器顶端进出线,磁芯接地- V1 t4 t% I+ x+ m
5)绝缘胶带:3M900 或同等材质;
. W' N( L& _8 {, A6)初级绕组感量Lp:1.8mH±5%(测试条件:0.3V,10kHz);+ ?. {2 z6 J; z! B' ^% L
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));* A  {4 w: @$ F& `& [' X
8)耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min;
  U+ H( _) x9 _$ ~# z/ ~; s! f9)成品要求:浸凡立水;! x; ^' D3 c  H4 p2 `0 C! {3 s
( G# P% \: ?1 u' R
3.2.3、变压器参数:8 Q6 \! E& C  I6 P2 z8 X; \- A. ^
3.2.4、变压器结构图:
3 y( f% N2 N* R4 }9 s8 V! X, c. h$ ]5 t! I$ i
' w% {' }2 U( _, l+ N, F2 @
04、性能测评6 F9 b3 ^8 M7 W- X9 e/ |7 j3 v/ V& K
, _7 {* Y+ h/ f0 r: a* Z
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。
7 W! u: c  l& u2 C; Q
- \9 H- i4 N1 d; K% O4.1、输入特性:6 P  `& g; Y) c# x) ^9 j! [
+ |1 q0 D# s8 ^, U8 K/ z, E
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。
5 b% s5 T. j$ Q) r8 B* L& E. u" h4 _! o( B/ e. J' `, B
表1 待机功耗' }; t1 n; q3 L. ]8 l* P

! R: y1 c  V( X( b  ~( O) c7 ^& T& j' j. Y
表2 输出100%负载下的输入特性
% X0 Q& m5 |% c' l, s5 ^. G0 I* _

9 x7 R: u# X! V# M2 H5 p( c% `' ^6 S! m
表3 效率测试(1.5M 22AWG Cable)
6 \# m) A. m2 b4 v, P( n- \# W4 w
- v! S  O$ @: n6 [; s/ @( _: `

, p! Y; o3 _$ s3 v表4 效率测试(PCB END)
6 l& U" }$ T% [% c

8 m8 V( f5 z: _) W  I3 `7 @1 i0 Y2 K, N$ s
表5 能效等级评估(1.5M 22AWG Cable)
- u: [3 u' C* {; ~4 E

: J' K" u7 N( B3 F* ^9 F/ [2 c' z  H5 ?  C) s% {; f1 I, |
4.2、输出特性:
$ }6 p+ l) p8 U) S1 I' B; M( k- ?% {7 A7 [: u
4.2.1 线性调整率和负载调整率: ( PCB END )
, a$ ^) r8 ?* t1 ~6 u/ l; g# P5 x! y) |) O. @- L

) e; c; T2 O$ P. }" f+ }; X. T) H% R# j6 z
4.2.2、输出电压纹波:, O5 O: s: b2 b! z& i9 I! _
- L4 R( K( ~7 Z9 o! y5 V& C
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。  U- f# s5 J2 O: P3 l: M  s; e
0 M: j- a- J7 U5 A; d

4 I; Q; B- b) w4 o1 {! l9 c7 n
R&N @ AC90V/60Hz,No Load

9 b1 b* j+ Y2 Q3 p
R&N @ AC90V/60Hz,100% Load

4 s, {' z" t. Q6 W
R&N @ AC264V/60Hz,No Load

5 H$ v4 y) n/ t' V3 l  R
R&N @ AC264V/60Hz,100% Load
9 G2 X) ], C( e' z# j
4.3、保护功能:7 x; ^1 `# }4 }" }' q' [" T' o% i
# K6 O4 ?' M, C9 T( J3 R) x: ^
以下涉及过流保护、短路保护的测试。+ Y  g3 \9 ^& s- w% I
4 u: G: g; U* U+ i0 E7 G: h0 I/ s
4.3.1、过流保护:+ X( z2 v; P+ l  n- h+ B
' l% z: \7 N+ l! w, E8 B
4.3.2、短路保护:+ d( Y: p' e) T" N
9 r% ^4 {1 P$ M% M- L
功率计电流量程2.5A,开启平均值模式测量。( o# X; z" Q: `" ]4 j

% S2 ^$ _0 F$ W# e7 c7 J4.4、系统温升测试
( p7 ~% Z0 O) ^9 @" a* I3 f
3 k" H/ |9 W7 W" g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。+ K) K  d7 m% B& l

9 y5 U6 x* e9 u- S  c7 t6 O
测试样机及配套外壳
  r( _, i' Y) ^2 p6 ?, u

: O, u- q9 C1 }/ V8 y
! _" K* V- t0 f/ i. ]. x
4.5、动态测试:
- }4 ]1 ^1 w" e
- Y( k: `3 S" U9 f4 u) X% p4 w5 o8 k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)2 x% S! Q( t) |2 x! y/ _

3 l2 G6 B: I& x  d3 i( X: |3 ~4 Z
AC90V 5ms

) k2 j3 c* z" z# d1 C
AC90V 10ms

" D+ m# ~) I+ P& U+ y
AC264V 5ms
9 V& b1 `" p) w) X+ _: C
AC264V 10ms
% u# N: X1 A& A. e
4.6、系统延时时间测试:) ]! X0 L* X7 }( _

  |* [1 @/ q+ y4 r9 F
TON_DELAY @ AC100V,100% Load

" E  `, p1 G3 ~+ u2 x5 @
TON_DELAY @ AC240V,100% Load
+ I) J! @- f! E5 W7 p/ j" Z+ f
THOLD_UP @ AC100V,100% Load

+ F: L$ X8 u5 S7 i2 Y" i7 @
THOLD_UP @ AC240V,100% Load
& c5 P) u7 [1 [  [! \7 j5 d
4.7、其它重要波形测试:$ ?) f# x2 w0 K: l

, m. w3 _6 k& A; D- W: Z8 h, ~DRAIN(蓝色)端、CS(红色)端波形图:
, S& B; L; @1 @. o# s$ b  q* R8 U8 j: f' _: d0 d
AC90/60Hz,100% load
/ Z+ P" I# @9 C: B5 V( q8 d
AC115/60Hz,100% load

6 n3 ?0 j# J& @3 _
AC230/50Hz,100% Load
! ^9 ]! R8 S$ g0 |
AC264/50Hz,100% load
( G6 E2 K) r, ^' |; m# P! ?' }% f
其他波形测试, n" Z  T0 t# r
- O' b4 @- ]- X# Z6 V
AC264/50Hz,100% load 输出肖特基电压

' t+ ]! w0 a6 t
AC264/50Hz,输出短路,VDS VCS 波形

" B4 m0 y3 z- c8 K4 \# L1 c3 {6 y05、EMI 评估测试测试条件:2 h) T1 Z5 M, G9 N  N% }3 V0 |

& i9 m. |/ M& P- \6 |. {输入:AC115V-60HZ/230V-50Hz;- F4 u+ I6 T0 c* Z6 M3 I9 k1 @, r
输出负载50W 8Ω大功率电阻;$ B$ Q, o( S: F
限值标准参考:EN55013、EN55022B。(辐射测试结果仅供参考)  E  v5 C. g( l
2 o+ H7 q5 M2 e
AC115V/60Hz 传导L 相

( n$ t3 A1 |: o) x  N7 K% E
AC115V/60Hz 传导N 相

6 ~: ]5 L, @/ a1 G1 ~, Q! d7 P
AC230V/50Hz 传导L 相

7 q" A9 C+ t8 a# ?8 k0 _1 X
AC230V/50Hz 传导N 相

0 B% j1 V: n6 C6 X$ f7 ?  i
AC115V/60Hz 辐射测试
9 o# P6 L, Y# F' J. D8 u5 T
AC230V/50Hz 辐射测试

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