一款無Y電容原邊調(diào)整的低功耗充電器設(shè)計(jì)

隨著智能手機(jī)以及平板電腦的普及。手機(jī)充電器的要求也越來越高。其挑戰(zhàn)主要來源于兩個(gè)方面。第一，低待機(jī)功耗。由于充電器通常都插在插座上，而且大多數(shù)時(shí)間都不在執(zhí)行充電工作。但是，它們?nèi)匀粫?huì)消耗電能，因而浪費(fèi)了能源和用戶的金錢。如何降低這些裝置的待機(jī)功耗，從而節(jié)省電能、滿足政府法規(guī)要求，以及為用戶節(jié)省金錢，已顯然是設(shè)計(jì)工程師必須面對(duì)的問題。IEC 五星級(jí)能耗要求空載時(shí)設(shè)備消耗的功率必須小于 30mW。第二，EMI 性能。由于充電器的體積非常小，成本控制嚴(yán)格，所以濾波器的使用受到限制，另一方面，原副邊漏電流的限制也使得越來越多的廠商采用了無 Y 電容方案。這給 EMI 的設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。

本方案采用了 UCC28720 控制的 5V@1A 反激變換器，介紹了一種特殊的變壓器結(jié)構(gòu)，成功去除了 Y 電容了。同時(shí)由于 UCC28720 是一款原邊反饋?zhàn)儞Q器，從而消除了光藕及副邊反饋線路，節(jié)約了成本并提高了可靠性。 UCC28720 集成了高壓?jiǎn)?dòng)，調(diào)頻調(diào)幅兩種模式，使得整個(gè)變換器的待機(jī)功耗可以在全電壓范圍內(nèi)小于10mW，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于五星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1是原理圖。

圖1：5W無Y電容充電器原理圖 1 、待機(jī)功耗估算

電壓調(diào)整控制模式下，控制器工作在調(diào)頻（FM）和調(diào)幅（AM）模式，如圖 2 所示。從圖中可知，待機(jī)情況下，UCC28720 支持最低開關(guān)頻率為 680Hz；同時(shí)原邊峰值電流為滿載峰值電流的 1/4。所以，待機(jī)功耗可作如下估算：

由上式可得，待機(jī)功耗的大小跟變壓器電感量大小，變換器具體的峰值電流無關(guān)，只與設(shè)計(jì)的最高工作頻率與芯片最低工作頻率比以及最大設(shè)計(jì)峰值電流和最小峰值電流比有關(guān)。根據(jù)芯片規(guī)格書得：

本次設(shè)計(jì)中，輸出功率為 5W，最大開關(guān)頻率設(shè)計(jì)為 70KHz。所以，可以計(jì)算得，理論待機(jī)功耗為：

由于輸出需要加一定的假負(fù)載來保證控制輸出電壓穩(wěn)定，假負(fù)載一般在 2mW 左右，那么整機(jī)空載功耗可以在全電壓范圍內(nèi)做到 10mW 以下。

圖2 ：UCC28720 FM 和 AM 模式圖 2 、變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變壓器的電感量計(jì)算可以參考 UCC28720 的規(guī)格書；這個(gè)不作詳細(xì)介紹。詳細(xì)的變壓器計(jì)算可以參考 SLUA604。這里只介紹本方案中的被證明的一種對(duì) EMC 有效的變壓器結(jié)構(gòu)。

合適的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)適配器的效率和 EMI 性能有很大的影響。本文提供了一種經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證的變壓器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而幫助去除了 Y 電容，并且得到理想的 EMI 結(jié)果。參見圖 3，通過計(jì)算，使變壓器原邊恰好繞滿骨架兩層，然后加入一層屏蔽繞組，繞組一端接地，另一端埋在變壓器內(nèi)部。屏蔽繞組將原副邊隔離，可以有效的降低共模干擾。屏蔽繞組的外面是副邊繞組，最外層是輔助繞組，通過選擇適當(dāng)?shù)木€，使得輔助繞組剛好繞滿一層。最后，變壓器外加銅帶做屏蔽，銅帶需與磁芯可靠接觸，然后通過導(dǎo)線接地，達(dá)到磁芯接地的目的。 使用此種結(jié)構(gòu)的變壓器，在本設(shè)計(jì)中，可以通過 EMI 測(cè)試，并且有可靠的余量。

圖3：變壓器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)然，EMI 特性跟很多因素有關(guān)，本設(shè)計(jì)中有效的變壓器結(jié)構(gòu)不一定適用于其它的設(shè)計(jì)，但無論如何，都可以給后面的設(shè)計(jì)作一個(gè)參考和思路。 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上分析和設(shè)計(jì)，制作了樣機(jī)并驗(yàn)證其性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

1 、效率測(cè)試

Table 1. 115Vac 變換器效率

Table 2. 230Vac 變換器效率

2、 待機(jī)功耗

圖 4：待機(jī)功耗

圖中可以看出，變換器在全電壓范圍內(nèi)，待機(jī)功耗低于 10mW。
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3、 輸出 V-I 曲線

圖 5： 115V&230V V-I 曲線

由圖 5 所示，本方案在 115Vac 輸入和 230Vac 輸入情況下，輸出電壓和輸出電流均在客戶要求的范圍之內(nèi)，并且可以看到，不同輸入電壓時(shí)，輸出電流的一致性非常好。

4、 EMC 測(cè)試

圖 6：傳導(dǎo)測(cè)試結(jié)果

結(jié)論

本文分析設(shè)計(jì)了使用 UCC28720 控制的原邊反饋反激變換器。 找到了一種合理的變壓器結(jié)構(gòu)，通過了 EMI 測(cè)試，完成了無 Y 電容的充電器設(shè)計(jì)。給未來的無 Y 電容充電器的設(shè)計(jì)提供了一種參考和思路。同時(shí)，結(jié)合 UCC28720 的特點(diǎn)，使該方案在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的待機(jī)功耗低于10mW。