90W AC - DC非對(duì)稱半橋適配器設(shè)計(jì)解析

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定的電源適配器是關(guān)鍵。今天我們來深入探討一款基于非對(duì)稱半橋拓?fù)洌ˋHB）的90W寬范圍輸入AC - DC適配器——EVL6591 - 90WADP。

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一、適配器概述

這款適配器采用兩級(jí)解決方案，前端PFC使用工作在過渡模式（TM）的升壓拓?fù)?，IC選用L6563先進(jìn)TM PFC控制器，它集成了控制該階段所需的所有功能和保護(hù)，以及與下游DC - DC轉(zhuǎn)換器的接口。DC - DC階段采用非對(duì)稱半橋（AHB）拓?fù)?，由L6591 PWM控制器驅(qū)動(dòng)。

主要特性

1. 輸入?yún)?shù)：輸入市電范圍為88 ~ 264Vrms，頻率45 ~ 66Hz。
2. 輸出參數(shù)：輸出為12Vdc ± 2% - 7.5A，空載時(shí)輸入功率Pin低于0.35W。
3. 保護(hù)功能：具備短路、過載、輸出過壓和欠壓保護(hù)。
4. PCB規(guī)格：采用CEM - 1單面板，厚度70μm，尺寸為174 x 78mm。
5. 安全與EMI：安全符合EN60065標(biāo)準(zhǔn)，EMI符合EN50022 - 類B標(biāo)準(zhǔn)。

二、電路工作原理

PFC前端

PFC電路的功率級(jí)由電感L2、MOSFET Q1、二極管D4和電容C9組成。L6563控制器通過控制MOSFET的開關(guān)，使輸入電流跟隨輸入電壓，從而提高功率因數(shù)，減少諧波失真。

AHB DC - DC階段

該階段的半橋（MOSFET Q3和Q4）連接到PFC階段的輸出電壓，驅(qū)動(dòng)直流阻斷電容（C44）和變壓器（T1）的初級(jí)串聯(lián)。變壓器有兩個(gè)帶中心抽頭接地的次級(jí)繞組，其另一端連接到輸出二極管D12和D13。輸出電感位于二極管D12和D13的公共陰極與輸出之間。

L6591集成了電流模式PWM控制器、高低側(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器以及針對(duì)該拓?fù)涞乃泄δ芎捅Ｗo(hù)。它通過磁電流和輸出電感電流紋波來實(shí)現(xiàn)MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS），提高效率。

三、工作波形分析

典型波形

在滿載時(shí)，AHB初級(jí)側(cè)關(guān)鍵波形顯示，當(dāng)LVG信號(hào)下降時(shí)，半橋節(jié)點(diǎn)充電至400V，經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后，高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器在零電壓下導(dǎo)通。高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷時(shí)，半橋節(jié)點(diǎn)放電至零伏，Q4的體二極管導(dǎo)通，隨后LVG在ZVS條件下導(dǎo)通。

半載時(shí)，由于輸出電流減小，初級(jí)側(cè)電流快速變化也減小，磁電流相對(duì)增大，使得移動(dòng)半橋節(jié)點(diǎn)的可用電流增多，ZVS條件更容易滿足。

低負(fù)載運(yùn)行

在輕載和空載條件下，系統(tǒng)進(jìn)入受控的突發(fā)模式運(yùn)行，以降低輸入功率。通過L6591的PFC_STOP引腳和L6563的PFC_OK引腳，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)IC的突發(fā)模式同步，確保對(duì)重載過渡的快速響應(yīng)，避免輸出電壓下降。

短路保護(hù)

輸出短路會(huì)觸發(fā)過載保護(hù)（OLP）。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，COMP引腳飽和高電平，IC檢測(cè)到該條件后開始對(duì)SS電容充電。當(dāng)SS電壓達(dá)到5V時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉。若短路未移除，IC進(jìn)入HICCUP模式，重啟間隔較長，減少功率元件的應(yīng)力。

過壓保護(hù)

由于無法在所有負(fù)載條件下從初級(jí)側(cè)檢測(cè)輸出電壓，OVP直接在輸出端檢測(cè)。使用齊納二極管（D25）作為閾值激活保護(hù)，通過光耦合器U5將信息傳遞給控制器，使禁用引腳電壓超過4.5V的干預(yù)閾值。該保護(hù)為鎖存式，PWM停止后，HV發(fā)生器工作以保持Vcc電壓在14V和13.5V之間，同時(shí)關(guān)閉L6563。

啟動(dòng)序列

當(dāng)市電接入時(shí)，L6591的HV啟動(dòng)發(fā)生器開啟，以約0.75mA的恒定電流對(duì)Vcc電容充電。由于L6563的開啟閾值低于L6591，PFC控制器先啟動(dòng)。當(dāng)Vcc > 14V且線路引腳電壓大于1.25V時(shí)，L6591也開啟。此時(shí)，AHB變壓器的輔助繞組與電荷泵一起為設(shè)備提供所需功率。

四、電氣性能

效率測(cè)量與空載消耗

在115Vrms和230Vrms的標(biāo)稱電壓下，對(duì)不同負(fù)載百分比的效率進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，適配器在不同負(fù)載下都有較高的效率，且滿足ENERGY STAR?規(guī)范版本2.0的要求（平均效率>87%，空載輸入功率<0.5W）。

諧波含量測(cè)量

前端PFC階段有效降低了市電諧波，使適配器滿足歐洲EN61000 - 3 - 2和日本JEIDA - MITI標(biāo)準(zhǔn)中D類設(shè)備的要求。通過測(cè)量不同輸入功率下的諧波含量，驗(yàn)證了PFC的性能。

五、熱測(cè)量與傳導(dǎo)噪聲測(cè)量

熱測(cè)量

使用紅外相機(jī)對(duì)電路板進(jìn)行熱分析，結(jié)果顯示關(guān)鍵組件在不同輸入電壓和滿載條件下的溫度都在可接受范圍內(nèi)。

傳導(dǎo)噪聲測(cè)量

在兩個(gè)標(biāo)稱電壓下進(jìn)行傳導(dǎo)噪聲測(cè)量，結(jié)果均遠(yuǎn)低于EN55022 CLASS B標(biāo)準(zhǔn)的平均限值。

六、物料清單與變壓器規(guī)格

物料清單

詳細(xì)列出了EVL6591 - 90WADP適配器的所有組件，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、變壓器等，為工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和采購提供了參考。

PFC線圈規(guī)格

PFC線圈采用垂直型6 + 6引腳線圈骨架，最大溫升45°C，最大工作環(huán)境溫度60°C。其電氣特性包括初級(jí)電感700μH ± 10%，峰值初級(jí)電流3.5Apk，RMS初級(jí)電流1.25ARMS。

AHB變壓器規(guī)格

AHB變壓器采用水平型7 + 7引腳線圈骨架，最大溫升45°C，最大工作環(huán)境溫度60°C，符合EN60950的市電絕緣要求。其電氣特性包括初級(jí)電感400μH ± 10%，最大泄漏電感10μH，最大峰值初級(jí)電流1.93Apk，RMS初級(jí)電流0.75ARMS。

七、總結(jié)

這款90W AC - DC非對(duì)稱半橋適配器在電氣性能、保護(hù)功能和熱性能等方面都表現(xiàn)出色。通過采用兩級(jí)解決方案和先進(jìn)的控制器，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。工程師在設(shè)計(jì)類似電源適配器時(shí)，可以借鑒其電路拓?fù)洹⒖刂撇呗院徒M件選擇等方面的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，我們也可以思考如何進(jìn)一步優(yōu)化該設(shè)計(jì)，提高效率和降低成本，以滿足不斷發(fā)展的電子設(shè)備需求。你在電源設(shè)計(jì)中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。