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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
  X0 w6 x, b0 d3 a2 D' C8 ?
( b% e* T, k* B& J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。3 A2 n% F" T, W* L
; l# n; a' @; y1 _, F
01、样机介绍
- ?7 p/ Q5 F& z% m
( T) P! f/ k2 z) [& M+ v5 p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。+ S5 u& Y! [' q+ F, E
+ x/ h# q  {! U( \0 d" u8 m/ _
CR6890H_20V3A 工程样机示意图
  E* k: Q; R' x  g
CR6890H 芯片. {3 a4 ?/ R1 _! j" l' c2 d" [& L

5 d! _/ |6 Z4 ~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。
# _: J' D- f; T
" \+ |/ Z/ K1 q+ w, {( c特性- U$ \$ {" Q6 K
6 U! O$ b# b2 W
较低的启动电流 (大约3μA)" {; S3 r' u6 P5 ^

. C$ C4 z/ C7 s内置软启动减少MOSFET应力
% i( k9 W' d& d# k6 j6 N9 [1 t  y! A8 S; o
带有Peak_load 升频功能;* [2 f$ n* |( f5 j1 f6 S& s+ v% b

/ V0 P4 C$ g8 O% {( e7 B* aCCM+PFM控制模式" \2 O2 K' d) d5 ?) ~" P1 ], R0 [

6 D' ^7 L( c/ d2 ]内建同步斜坡补偿,消除次谐波震荡0 n* c$ D3 D* E3 ~" ?

( ?) Q3 j  O$ N8 w% \4 z8 K内建频率抖动功能,降低EMI( [* q/ e& n3 d1 E0 D8 H0 ~
2 `0 f% p% H$ ~6 E5 X0 L. v0 j. |
内置65kHz开关频率
( b  L' L/ i- A$ S' w; J/ d! z! Q' ^
# l- Q' `% M' {& T轻载降低工作频率& u4 h+ A; A# V& p0 L; D: V" h

  P! d( Z! D* Z+ p15ms倍频模式$ Y; K9 U& o! ?6 k% X; f/ C+ Z  t8 C

  \* N$ C7 u( d) h, Q2 }可编程外置过温保护并进入latch8 r  f: x- I! Q6 z
+ y9 `$ {/ y7 L) g1 j' `
VDD过压保护和输出过压保护功能并进入latch
/ O9 q: [; |$ D/ ]" V$ C- X2 ^" ^9 x% C9 `. ^: u7 {
内置前沿消隐电路% ?+ j' `- R: T! z% }6 R
! L5 M. E  R1 o. K
内置输出二极管短路保护
0 o! {2 t0 A% y' @- |, J2 v
: p: g4 y: E# V内置过温保护并进入latch
/ ^  a9 T/ [  {4 f& i# {9 l
2 ]; [/ i; q, A* b+ W过载保护
) M% z4 k) ]) N) R& R$ S$ p+ L5 N: u0 U9 N0 p& f% D3 \, P$ M
SOT23-6L封装# ~" [" C- {! S: a/ P! f

; \3 P9 v# |2 c" ?4 `! J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。
' Z6 g/ {% `5 }! ?# Q6 [4 S6 y, G" B3 w- V" l) t7 o. r6 X
基本应用
* B) [% v+ r! ^1 F" I7 g. y2 F. r% |- \: |
AC/DC适配器4 l7 ?' n, r8 o9 q' Y* Y
+ ~- Y& W  v  e: K6 j2 q
电机类适配器
* [! d5 T& K- A. y' I" A) \
& ?# }  l& X/ _# ~3 Z/ }/ ?+ m1 l充电器
# w+ ]1 ]! c+ v+ `! ]6 l. u" _1 t
存储设备电源1 r8 t) {* b  G  W3 r+ R
) s" D$ V) F; ^, l: T1 S
典型应用: u$ Y" o# W4 Y1 I

  k6 K3 s# \) U1 X+ ?% \. L8 {
+ E# ^, x/ M: Z" p$ g
管脚排列: d! P4 N& y" y# I! J* S2 l

2 [2 J1 y4 [  _+ f# O
管脚描述2 c- x+ z  y3 ~; {
# f% j6 B! V! ~, K* c$ D: k
/ r3 T, _8 D, }4 q$ 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。
" t; [& i8 ]2 c; h! b* D
6 l# V) Q- R& W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。4 Z9 r4 _$ f* b" |

; J2 T+ v5 d8 y& @7 b- Q; y& O2 n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。
( W" Q  _1 q) L$ c1 P: s) l* u6 V: a
9 W0 i! I# h% a/ P3 m; q3 p. Z! w% D02、样机特性, n9 X. E2 T3 G2 S
/ ~, i6 v$ p' 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。
, ~! x" n) n4 K. l. G* W& ]) k. @3 r1 W9 t! }
2.1、输入特性:4 `& s4 K0 s1 T9 G  o

5 O2 Y8 h3 k! p# b( k. e* t) k( L$ z  p! ?
2.2、输出特性(PCB END):' t! ?2 B: J3 }0 V
0 D7 H. C* L' s9 Z( P$ y0 q, R
+ N" w4 v: p9 d; o
2.3、整机参数:
: G& @) i$ ^  z' N7 V% J4 E4 ?8 O
2 ]; w9 l! C+ e9 o% T$ R1 u6 i
2.4、保护功能测试:
$ ]% _8 C3 m( u/ }7 w2 h
) K9 B8 Z' D: v+ E
2.5、工作环境:5 |7 p$ u* l9 f) w$ U' j2 w3 b6 v

* u) r7 ^6 ~; V$ w4 G) I% Y; T, D+ o! n$ @$ j% N8 A* t! X
2.6、测试仪器:
% F) T5 w, N( g/ l1 H
03、样机结构信息# j( H1 L: Y' o7 B

$ B+ s  v* x# G8 O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。. b& i2 H  K% M" R0 R

. }6 m! W" l4 H* f+ ^' x, P3.1、电路原理图及BOM:
2 E3 [( p1 P4 ^& s2 o
; k* @9 F$ Q) k# |0 B3.1.1、原理图:1 s7 \; l  @, J& S

6 Q* D1 P+ p4 H/ [+ I$ t9 T5 E/ F
% `5 F  c2 A( v* Z1 ]' p
3.1.2、元器件清单:
1 {3 Y  t* @7 V; S) `) ~% [, U6 t3 h# x) }6 z- @# k. b1 [4 Y) a
0 m$ ]( K8 a( ^2 Y# ?1 \
3.1.3、PCB 布局&布线:5 K" d8 }- l( L" B. ^

  W7 d& T0 O' T# g2 Y0 l9 Z* R
PCB 顶层布局

2 `6 j( ~9 @5 L4 z+ A/ ~
PCB 底层布局

. K" c6 W3 a3 L, V0 T; c
PCB 底层布线
3.2、变压器绕制工艺:
8 P0 u  `$ j* i/ x
1 C% `% H# x3 V7 j1 B3.2.1 电路示意图:
' }7 B) Z6 \& S8 v& M0 G! Z
* A' K8 n, o1 Y* B% x/ B8 t
3.2.2 、规格参数:
7 n( I1 k* s% l" I( I, J
( r" z; u. }" `0 J- t/ R1)骨架:PQ2620 磁芯(5+5PIN),Ae=119mm²;
3 @9 s" V; X4 A: {1 p% a) f8 ]* q1 O2)材质:TDK PC40 或同等材质;/ E; e& C9 {" V1 @( e. ?
3)初级、反馈: 2UEW 漆包线;次级: 三层绝缘线;
" ?$ @4 k2 P% ?$ Z' x/ s4)N1 N6 N7 绕组从变压器针脚B 进线从顶部A 出线,磁芯接地;8 A: L! u+ v( k/ k: m9 L2 F
5)绝缘胶带:3M900 或同等材质;' P5 ~" e+ Q% N0 m9 _1 J# ~
6)初级绕组感量Lp:0.6mH±5%(测试条件:0.3V,10kHz);) }0 A/ c# c9 _, U& r2 A; g
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));
! ]+ _  G% e/ }8)耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min;% k+ k; K5 s. E$ E# \" J0 U
9)成品要求:浸凡立水;
' O  ^- _3 w8 p$ x) D6 k2 C3 R
3.2.3、变压器参数:
: Z3 A% f: \" Z# d5 P2 p) B: C3 y: a% p) b  j

4 o7 F) {% f, A5 H3.2.4、变压器结构图:
  R( o, p. j0 y, @# o2 D% y

) ?7 [5 _/ G4 ]( H) f5 v04、性能测评
. H, f! V* n! Y1 J
" R% O2 B2 i# m8 a* V* R" C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。
4 [- N0 c* r) t( _
$ u& `9 h% `  k2 C5 z7 j4.1、输入特性:$ D4 D! k  C% Y3 ]% Z

, d4 b5 m4 n# ]7 R4 z. W, w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。
% p% p$ n, ]% G5 ?7 \, K0 Y
% M* F, j5 B/ y! J8 m0 t" A+ ]表1 待机功耗
6 W! W) p* ?. B( X9 \* }
1 u& x+ x' A  Q6 @2 ^8 P
表2 输出接1.5M 18AWG Cable100%负载下的输入特性
$ q8 ~, R  D" d$ o. L

* o' `. i# {* O$ G  J3 _表3 效率测试(1.5M 18AWG Cable)
: @  n8 J7 d2 @8 K$ v
& J: @. s4 V1 s1 d+ H  n- Z: c: ~
表4 效率测试(PCB END)
3 C# a. p. ]* q/ W1 p# ~

  p. ?# W& f  v! E, Z, i# `表5 能效等级评估(1.5M 18AWG Cable)# f0 e0 Z+ k( |  Q

4 d7 y: L  C1 a8 c& {/ [5 O& x4.2、输出特性:4 i! \* u; O3 T) a5 e) I

7 g3 l$ L: j4 C8 `! i4 {7 [4.2.1、线性调整率和负载调整率: ( 1.5M 18AWG Cable )
( A! ^/ B" P. D' G4 d

* y) p6 D1 R) n
! r1 _1 }; x6 e8 t$ k4.2.2、输出电压纹波:' P/ [; E5 C- ^0 M8 v) x

3 ^0 G* h. ]! n; F. s  a( S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。) b; Y+ G7 y( a, _& s) b5 Q

7 @9 G! {2 j/ [

% Q* N7 W* H0 j' S. T; q
R&N @ AC90V/60Hz,No Load
0 @3 O8 Z- d. U) A) Z# T
R&N @ AC90V/60Hz,100% Load

9 u7 R% d6 k3 f* o& O3 r* |3 u
R&N @ AC264V/50Hz,No Load
$ ^1 k5 ~3 P% f1 D
R&N @ AC264V/50Hz,100% Load

& `- R; z/ P& S+ _% h4.3、保护功能:
, [) f5 ^* `; P) J+ a9 a
' J2 }6 G, l) ~! `$ b' d8 q. h以下涉及过流保护、短路保护的测试。
) |" Z; o( U: t+ [2 ?$ w% ~9 U; d! o' |2 j$ _; U
4.3.1、过流保护:
" Y8 x/ {$ }# r* h2 Y" b
4 E9 Q- e& l6 k1 {. [* }! M& ^
+ l: Z) U+ D& }, P
4.3.2、短路保护:
0 @6 h6 c2 u3 f9 {8 _9 {
* F+ B1 i, y/ G功率计电流量程2.0A,开启平均值模式测量。
% D0 h7 s2 Q: j  ~
3 T1 p& o* U- f
. F0 o5 [# }- u
4.3.3、Peak_load 功能测试:
0 O* E5 R! I4 R; t
- ^2 N# J' u8 m5 l7 |7 ?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。5 K' F. F2 V9 ^! r7 V
; }1 C( T' N9 T, e0 c/ h; t
AC115V 发波周期12.6mS,Vo 最低15.6V

: S8 `% r1 f2 }9 v* n0 ]
AC115V Peak_load 功能升频151.52KHZ

: |% b: Z  _$ R* j# \  P( T4 A
AC230V 发波周期11.2mS,Vo 最低18.2V
7 X' r, b" ?" ~" y+ K: D9 P- R3 `
AC230V Peak_load 功能升频151.52KHZ
* L; _# B" z8 I3 j) i& U
4.4、动态测试:0 ]0 F6 s4 V( h7 ?

' I* F, T# I* c$ |  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)
" l. v0 i. A- R( }: u0 Y  m
1 a3 @# n8 G5 @2 Q1 h) L3 ^
AC90V_5ms
AC90V_10ms
/ @0 U8 \0 P$ J/ P- _" x
AC264V_5ms

. y# ^2 V$ O: V
AC264V_10ms
1 Y- @& i( F7 N1 z4 W) o" R
4.5、系统延时时间测试:9 }4 \; T* E4 Q. l, T3 i) {- u

' |  X1 Z$ \# a
TON_DELAY @ AC100V,100% Load
5 D) i! M, K: H+ U! H; c! k; A
TON_DELAY @ AC240V,100% Load

# C8 Y% R3 p. K: N9 O" V( P5 j
THOLD_UP @ AC100V,100% Load

) ?# d+ `! c" A7 ], n' ?
THOLD_UP @ AC240V,100% Load
  R: S' O4 ~- o! n
4.6、其它重要波形测试:$ v: O! M) d) Y) I1 W0 r
- z1 w- z" ~' G9 x: n4 S2 v
AC90/60Hz,100% Load CS 波形
8 n) N4 t% x. L- Z
AC230/50Hz,100% Load Gate 波形

# \: ?. S( u; Y/ B* A6 t
AC264/50Hz,100% Load 输出肖特基波形

" C9 C* I1 Q, q; Z% g
AC264/50Hz,100% Load MOS-D 端波形

) T9 L0 E$ D0 o, f05、温升测试: X9 J% R; _$ \+ Q2 ~. h; y
# I' T' s2 F8 Y
测试条件:带外壳在40℃环温下长时间带载3A 老化。
. L/ t! v+ b7 f. h, ?3 A. H- s( x

, f9 c( a; [' ^7 M0 o06、EMI 评估测试3 K- h; S) k3 z/ z, T5 D
+ K! h4 O# ]* w) _; u  y
测试条件:1 @5 b7 w1 r; h& x  s
/ u% Y1 }* w# _( B$ `
输入:AC115V/230V;水泥电阻阻值6.67Ω,带线1.5M 18AWG 测试;
! w7 `/ j8 e% t# k8 N; `限值标准参考:EN55013、EN55022B。(测试结果仅供参考)
5 Q1 @5 i  \* r7 u3 X1 W5 M; R$ K# ^
AC115V 传导L 相

3 j# D5 A+ n; a9 s  B7 y
AC115V 传导N 相

2 i8 {  a2 Z( y: u! f! _
AC230V 传导L 相

0 V( E1 }7 _: W* e) L
AC230V 传导N 相
: j# X; Z* o8 n: ~! T: z5 H+ f" A
AC115V 辐射
; W( k% t* U* d2 D
AC230V 辐射

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