150W諧振變換器設(shè)計解析與性能評估

引言

在當(dāng)今對電源效率要求極高的時代，尤其是對于All-In-One電腦電源等應(yīng)用，高效、低功耗的開關(guān)電源設(shè)計顯得至關(guān)重要。本文將詳細介紹一款基于L6563H、L6599A和SRK2000A的150W諧振變換器演示板（EVL150W - ADP - SR），它不僅滿足ENERGY STAR的要求，還在多個方面展現(xiàn)出卓越的性能。你在設(shè)計類似電源時，是否也會面臨如何提高效率和降低功耗的挑戰(zhàn)呢？

文件下載：EVL150W-ADP-SR.pdf

主要特性與電路描述

電源基本特性

• 輸入輸出參數(shù)：輸入市電范圍為90 - 264Vac，頻率45 - 65Hz；輸出電壓為12V，連續(xù)工作電流12.5A。
• 電源性能：具備低諧波、低待機功耗、高效率、低電磁干擾等特點，同時滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，尺寸為65 x 154mm，PCB為雙面板。

電路組成

• 兩級電路：由前端PFC（使用L6563H）和LLC諧振變換器（基于L6599A和SRK2000A）組成。PFC作為預(yù)調(diào)節(jié)器，為諧振級提供400V恒定電壓，下游轉(zhuǎn)換器僅在PFC正常調(diào)節(jié)時工作。
• 關(guān)鍵芯片功能
  • L6563H：電流模式PFC控制器，工作在過渡模式，集成高壓啟動源。
  • L6599A：集成控制諧振變換器的必要功能，固定占空比50%，可變頻率工作。
  • SRK2000A：專為LLC諧振拓撲設(shè)計的同步整流驅(qū)動器，能自動檢測輕載進入睡眠模式，降低損耗。
• 變壓器設(shè)計：采用集成磁路方法，二次繞組為中心抽頭配置，無需外部額外諧振線圈。

啟動序列與功耗優(yōu)化

• 啟動流程：PFC先啟動，下游轉(zhuǎn)換器在PFC輸出額定電壓后開啟。啟動時，L6563H由集成高壓啟動電路供電，PFC開始開關(guān)后，充電泵為控制器供電，同時激活輔助繞組供電，確保待機時正常工作。
• 待機節(jié)能：通過實現(xiàn)突發(fā)模式功能，L6599A根據(jù)負載情況驅(qū)動L6563H進入PFC突發(fā)模式，降低待機功耗。同時，采用二次側(cè)感應(yīng)電路直接檢測輸出負載來設(shè)置突發(fā)模式閾值，避免諧振元件參數(shù)影響。

性能測試與評估

效率測量

• 整體效率：在115Vac和230Vac下，平均效率分別為90.6%和91.8%，遠超EPA rev 2.0外部電源的87%要求；在230Vac額定負載下，效率達94%，凸顯同步整流的優(yōu)勢。
• 輕載效率：即使在500mW輕載下，效率仍高于50%，表現(xiàn)出色。

諧波含量測量

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000 - 3 - 2 Class - D和日本標(biāo)準(zhǔn)JEITA - MITI Class - D測試，電路能將諧波降低到規(guī)定限值以下，同時測量的總諧波失真（THD）和功率因數(shù)（PF）表明PFC工作正常。

功能檢查

• 穩(wěn)態(tài)與零電壓開關(guān)：穩(wěn)態(tài)運行時，開關(guān)頻率約為120kHz，變換器略高于諧振頻率工作。MOSFET在體二極管導(dǎo)通且漏源電壓為零時開啟，實現(xiàn)零電壓開關(guān)。
• 啟動與關(guān)機：PFC先啟動，LLC在PFC調(diào)節(jié)后開啟；關(guān)機時PFC先停止，LLC在輸入電壓低于允許值時關(guān)閉。啟動和關(guān)機過程中避免硬開關(guān)，確保設(shè)計可靠性。
• 無負載與負載過渡：無負載時，L6599A和L6563H工作在突發(fā)模式，PFC和LLC突發(fā)同步。負載過渡時，輸出電壓無明顯下降，表現(xiàn)穩(wěn)定。
• 過流與短路保護：L6599A具有過流保護功能，通過ISEN引腳檢測電流，根據(jù)不同閾值采取相應(yīng)保護措施，短路時轉(zhuǎn)換器間歇工作，限制平均輸出電流。

熱成像與傳導(dǎo)發(fā)射測試

• 熱成像：通過紅外相機進行熱成像測試，在不同輸入電壓下，關(guān)鍵組件溫度在合理范圍內(nèi)，SR子板上的整流MOSFET溫度低于70°C，無需散熱片。
• 傳導(dǎo)發(fā)射：在全負載和標(biāo)稱市電電壓下，傳導(dǎo)發(fā)射測量值遠低于EN55022 Class - B限值。

物料清單與參數(shù)說明

詳細列出了EVL150W - ADP - SR演示板的物料清單，包括電容、電感、二極管、MOSFET等各種元件的型號、規(guī)格、供應(yīng)商和封裝信息，為實際設(shè)計和生產(chǎn)提供了明確的參考。

總結(jié)

這款150W諧振變換器演示板憑借其獨特的電路設(shè)計和關(guān)鍵芯片的應(yīng)用，在效率、諧波控制、功能穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)卓越。無論是在重負載還是輕負載情況下，都能滿足嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)和性能要求。電子工程師們在設(shè)計類似電源時，可以借鑒其設(shè)計思路和方法，以提高電源的整體性能。你是否有興趣嘗試將這些設(shè)計理念應(yīng)用到自己的項目中呢？