小功率电源在有限空间实现高效率低EMI、低成本？我们有...

思睿达小妹妹

* r$ n3 Z4 m* d作者：屈工有话说

随着电子系统变得越来越密集和相互连接程度越来越高，工程师不断面临着提高效率，同时降低成本、减小尺寸和电磁干扰 (EMI) 的压力。因此，有必要采用既满足客户需求、同时具有高效率，低成本且易于集成的EMI整改技术。本文我们将通过案例分析来分享整改的解决思路。
0 {6 }) C- H/ c. N+ ]0 {% C
% i' R. O; w5 I: E( ]以下图片为测试样机图片：

% [' i- [- y( B* L

4 L3 B( o. ~0 q- n

CR52168SG样机图片

0 J5 _& _+ @) V9 `7 W  A: U【应用】替代线性调整器和RCC/圣诞灯、LED驱动器/小功率电源适配器/蜂窝电话充电器
【规格】5V1.5A
【控制IC】CR52168SG
: D! _( o3 d1 M( Y- _
关于CR52168SG

产品概述

CR52168SG一款应用于小功率AC/DC充电器和电源适配器的高性能离线式脉宽调制控制器。该芯片采用原边检测和调整的拓扑结构，因此在应用时无需TL431和光耦。芯片内置恒流/恒压两种控制方式。
& W; X( P$ T3 V( r! A
在恒流控制时，最大输出电流和输出功率可以通过CS引脚的限流电阻RCS设定。在恒压控制时，内置恒压采样电路以及高精度的误差比较器基准电压保证了芯片的高性能和高精度。此外，内置线损补偿电路保证了从空载到满载条件下输出电压精度。芯片还具有极低的静态工作电流，芯片待机功耗低于75mW。
& G9 c8 b; f7 K! ^7 k* C6 o
  o! |6 M; P1 R: `: BCR52168SG针对各种情况设计了一系列完善的保护措施，包括逐周期峰值电流限制、VDD过压保护、FB开路保护、输出短路保护、前沿消隐、过温保护、电源钳位和欠压锁定功能。在FB上拉电阻开路，FB下拉电阻短路，输出二极管开路或者短路，变压器绕组短路，CS引脚电阻开路等故障条件下都能有效保护，使得芯片具有 更高的可靠性。
/ \$ c# [3 r2 L5 t* x- t
主要特点

● 低启动电流
● 恒压精度可达±5%、恒流精度可达±5%
● 全电压范围内高精度恒压和恒流输出
● 动态负载响应功能
7 o# ~8 [' V8 k) K' q1 c2 x  H- D& |● 可编程CC/CV模式控制
( M# I5 n% R2 `8 s9 t/ {4 b● 高能效QR控制模式
4 d0 H( ]# N- o$ M0 h● 内置初级电感量偏差补偿功能
( v/ k9 E& u2 M● 内置输出线电压补偿功功能
● 内置全电压功率自适应补偿功能
● 无音频噪音控制技术
● VDD端过压、欠压保护功能
● VDD端钳位电路
● 内置输出过压保护功能
9 b& e& M! R! T* F" C2 R● 内置FB开路、短路保护功能
# s2 n, N1 \" I% e● 内置输出二极管开路、短路保护功能
● 内置前沿消隐电路
● 逐周期电流限制
  \, W7 O& I+ B0 d7 ?5 v2 }# ^" m# ~● 过载保护功能
● 过温保护功能
● SOP-8L绿色封装
, n2 v( T9 O% [, v  l
1 ], f# z' `4 z- [. W3 C" U( f基本应用
8 u9 U5 i. d9 y& q
● 小功率电源适配器
● 蜂窝电话充电器
6 @# m. k) A9 n7 f● 圣诞灯、LED驱动器
  Q$ L5 q) |& b; h; Y● 替代线性调整器和RCC

1 Z5 d; T; d% q" R  P# P0 K典型应用
5 ]9 E  f2 Y( ^3 S* e7 Y

+ L9 ^, t, b5 m! v4 Z$ R( l! K管脚排列

$ }% g) G8 o* d, o1 H3 l5 ?, t管脚描述
9 g, t. |4 \- R3 u. P

/ L0 i$ }# D, d0 s5 U. F2 R
【问题描述】

由于客户要使用3米长的粗线导致效率远不达标，增大效率后EMI又未能达到要求。

- D# c  v) y8 E! A& T; Q( l# [( q

3 ]$ u4 u: Z1 r0 U7 x6 ~
由图可见，虽然EMI传导通过，但带线测试后的AC115V平均效率为75.93%，而客户要求需要满足六级能效76.65%。
                       
: N' J  S' e) P# c5 L; x8 @0 g- ?【解决思路】
  L* O% e7 q! W5 C( [4 w
" X& ?4 m% E9 k3 V% ^01、选择高效的元件：确保所选的电源元件（如开关管、二极管、电感器和电容器）具有较低的损耗和较高的效率。可以通过查阅厂商的参数手册或咨询专业人士来选择最合适的元件。
6 |4 n* o3 L8 C( S0 i; y, d
5 Q0 A0 x: _* e. W) j/ x% A02、优化拓扑结构：选择适当的开关电源拓扑结构，如Boost、Buck、Flyback等，以满足设计需求，并具有较高的效率。不同拓扑结构在不同的负载条件下有不同的效率表现。

) w( r# y" e  x% U) E$ I03、降低开关损耗：通过减小开关管的导通和关断损耗来提高效率。可以采用合适的开关频率和调整元件的驱动电压和电流来实现。
! @; K7 i+ \  u6 o# j
! }# H& @2 o- z) n" F04、优化变压器：通过更改变压器的匝比或圈数可以用来更改效率、传导、辐射、开关频率、等方面。
6 X/ s5 x9 m, q. y6 y3 f3 \
, R) O) s  j: [( U  Z) W) ~' O% I05、减少尽头损耗：在电源布局中，要设计合理的PCB布线方式，以降低线路电阻和电感，减少尽头损耗。

4 |: N  r& s- w* _06、优化PCB布局：通过优化PCB布局可以减少元器件的相互干扰或地线的干扰来达到降低EMI的效果，并通过配合更改变压器来达到需求。

【调通要点】
, f6 r  {+ W0 a+ M6 R# _6 }
由于客户要求低成本，并且已经确定了使用反激拓扑结构来做，为了低成本考虑，所以我们的第一选择是优化变压器。由于效率差了需求将近一个点，因此我们初步使用三明治绕法来提高效率，以下是更改三明治绕法后的效率及EMI。

5 _8 p4 L6 q( n

5 W# N* _( S& I8 t

可以看到，虽然效率提上来了能满足需求，但三明治绕法的缺陷也一览无余，EMI十分超标。由于EMI超标太多，通过改善外围电路的方法已经不现实，大概率无法对EMI有很大的影响，于是要对板子重新layout，通过改变电源布局以及配合三明治变压器来解决。

; K2 L2 e! n2 _9 t/ A此图为重新layout的图片，因为客户整机空间太小，导致芯片和变压器太靠近AC端，交流干扰严重影响到了EMI效果，现重新layout调整芯片位置。因为板子空间非常有限，变压器只是微动了下，layout后可能仍然存在很大的干扰，因此还要重新寻找合适的变压器结构。   
  
【最终结果】
- t: \: a6 A& `: Z
9 F/ i/ W! g8 ?  F7 H

9 d" g- G6 T" [# ^- P$ r该图为整改后的EMI以及效率图片，舍弃一些EMI来提高效率，通过对板子重新layout以及整改变压器，效率及EMI都能达到需求。  

( x. a/ _: s) V' M# j2 `
8 E) r1 W7 m7 P6 B/ K