19V、90W諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)解析：高效與可靠并存

在電子設(shè)備不斷發(fā)展的今天，電源供應(yīng)的高效性和穩(wěn)定性愈發(fā)重要。本文將深入解析一款基于L6563H、L6599A和SRK2000A的19V、90W諧振轉(zhuǎn)換器，探討其設(shè)計(jì)特點(diǎn)、性能表現(xiàn)以及關(guān)鍵技術(shù)。

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一、設(shè)計(jì)概述

這款90W演示板（EVL90WADP - LLCSR）專為高端便攜式計(jì)算機(jī)電源供應(yīng)而設(shè)計(jì)，具有極高的效率，符合ENERGY STAR?資格標(biāo)準(zhǔn)（EPA rev. 2.0 EPS）。其中，SRK2000A同步整流驅(qū)動(dòng)器在降低二次側(cè)損耗方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使得二次側(cè)散熱片可大幅減小甚至去除。

二、主要特性與電路架構(gòu)

1. 電源特性

• 輸入范圍：通用輸入市電范圍為90 - 264 Vac，頻率45 - 65 Hz。
• 輸出參數(shù)：輸出電壓為19V，連續(xù)工作電流4.75A。
• 諧波與能效：市電諧波符合EN61000 - 3 - 2 class - D或JEITA - MITI class - D標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)稱負(fù)載下效率在115 Vac時(shí)大于92%；待機(jī)市電消耗在230 Vac時(shí)小于0.26W。
• 電磁兼容性：EMI符合EN55022 - class - B標(biāo)準(zhǔn)，安全性符合EN60950標(biāo)準(zhǔn)。
• 物理規(guī)格：尺寸為65 x 155 mm，最大元件高度25 mm，采用雙面70 μm、FR - 4材質(zhì)的PCB，混合PTH/SMT工藝。

2. 電路結(jié)構(gòu)

電路由前端PFC（使用L6563H）和基于L6599A的LLC諧振轉(zhuǎn)換器兩部分組成，SRK2000A控制二次側(cè)同步整流。PFC階段作為預(yù)調(diào)節(jié)器，為諧振階段提供400V恒定電壓，下游轉(zhuǎn)換器僅在PFC開啟并調(diào)節(jié)時(shí)工作，優(yōu)化了諧振階段的輸入電壓范圍。

三、關(guān)鍵技術(shù)解析

1. 啟動(dòng)順序

PFC作為主控制器，諧振階段只有在PFC輸出達(dá)到標(biāo)稱電壓時(shí)才能工作。啟動(dòng)時(shí)，PFC先啟動(dòng)，下游轉(zhuǎn)換器隨后開啟。L6563H最初由集成高壓啟動(dòng)電路供電，PFC開始開關(guān)后，連接到PFC電感的電荷泵為PFC和諧振控制器供電。兩個(gè)階段激活后，控制器也由諧振變壓器的輔助繞組供電，確保待機(jī)時(shí)的正確供電電壓。

2. 欠壓保護(hù)

通過L6563H的RUN引腳（引腳12）連接到VFF引腳（引腳5）獲取市電電壓峰值信息，內(nèi)部比較器在市電電壓正常時(shí)啟用IC操作。啟動(dòng)時(shí)，輸入電壓低于90 Vac（典型值）時(shí)，電路操作被抑制。L6599A的LINE引腳（引腳7）也有類似保護(hù)，防止諧振轉(zhuǎn)換器在輸入電壓過低時(shí)工作，避免電容模式操作。

3. 快速電壓前饋

L6563H的VFF引腳（引腳5）電壓是MULT引腳（引腳3）電壓的峰值，連接的RC網(wǎng)絡(luò)完成峰值保持電路。為解決時(shí)間常數(shù)設(shè)置問題，L6563H實(shí)現(xiàn)了快速電壓前饋功能，當(dāng)VFF引腳電壓降至設(shè)定閾值時(shí)，內(nèi)部開關(guān)通過10kΩ電阻快速放電，可設(shè)置長時(shí)常數(shù)的RC電路，保證低THD和對(duì)市電驟降的快速響應(yīng)。

4. 諧振功率級(jí)

下游轉(zhuǎn)換器采用ST的L6599A，以50%固定占空比和可變頻率控制諧振轉(zhuǎn)換器。變壓器采用集成磁路方法，包含諧振串聯(lián)電感，無需額外外部線圈。二次側(cè)輸出整流由SRK2000A控制，輸出端添加了小LC濾波器過濾高頻紋波，還實(shí)現(xiàn)了輸出電壓“快速放電”電路。

5. 輸出電壓反饋回路

反饋回路通過典型電路使用TL431調(diào)制光耦二極管電流實(shí)現(xiàn)。初級(jí)側(cè)R34連接RFMIN引腳（引腳4）到光耦光電晶體管，設(shè)置最大開關(guān)頻率約130 kHz，R31設(shè)置最小開關(guān)頻率，R - C串聯(lián)（R44和C18）設(shè)置軟啟動(dòng)最大頻率和持續(xù)時(shí)間。

6. 過載與短路保護(hù)

L6599A通過無損電路R41、C27、D11、D10、R39和C25檢測(cè)初級(jí)繞組電流并反饋到ISEN引腳（引腳6）。過流時(shí)，引腳電壓超過內(nèi)部閾值觸發(fā)保護(hù)序列，通過DELAY引腳（引腳2）的電容和電阻控制軟啟動(dòng)和重啟。

7. 過壓與開環(huán)保護(hù)

PFC和諧振電路階段都有過壓保護(hù)。PFC控制器L6563H通過電阻分壓器監(jiān)測(cè)輸出電壓，異常時(shí)停止開關(guān)并在電壓恢復(fù)正常時(shí)重啟。若INV引腳電壓低于1.66V（典型值），則鎖定L6563H和L6599A操作，需重啟市電恢復(fù)。L6599A的DIS引腳用于保護(hù)諧振階段免受過壓影響。

8. 二次側(cè)同步整流

SRK2000A的核心功能是在變壓器半繞組導(dǎo)通時(shí)開啟同步整流MOSFET，電流接近零時(shí)關(guān)閉。IC通過DVS1和DVS2引腳檢測(cè)MOSFET漏極電壓。

9. 待機(jī)節(jié)能

電路板實(shí)現(xiàn)了突發(fā)模式功能，輕載時(shí)節(jié)能。L6599A的STBY引腳（引腳5）感應(yīng)光耦集電極電壓，與內(nèi)部參考（1.24V）比較，低于參考值時(shí)進(jìn)入空閑狀態(tài)，超過參考值50mV時(shí)重啟開關(guān)。L6563H也有突發(fā)模式功能，PFC的突發(fā)模式操作部分由諧振轉(zhuǎn)換器強(qiáng)制，避免負(fù)載突變時(shí)母線電壓大幅下降。

四、性能測(cè)試

1. 效率測(cè)量

在標(biāo)稱市電電壓下，115 Vac時(shí)平均效率為91.27%，230 Vac時(shí)為92.22%，遠(yuǎn)高于EPA rev 2.0外部電源限制的87%。無負(fù)載時(shí)，最大無負(fù)載消耗僅260 mW，低于ENERGY STAR?計(jì)劃的500 mW限制。與二極管整流相比，同步整流效率顯著提高。輕載時(shí)效率也表現(xiàn)出色，1W負(fù)載下效率仍高于68%。

2. 諧波含量測(cè)量

電路板在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000 - 3 - 2 class - D和日本標(biāo)準(zhǔn)JEITA - MITI Class - D測(cè)試中，諧波含量遠(yuǎn)低于規(guī)定限制，PFC功能正常。

3. 功能檢查

諧振階段在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)頻率約100 kHz，工作在諧振頻率之上，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）操作。啟動(dòng)、待機(jī)、無負(fù)載、負(fù)載轉(zhuǎn)換和短路等情況下，電路表現(xiàn)穩(wěn)定，輸出電壓和電流正常。

4. 熱成像

通過紅外相機(jī)進(jìn)行熱成像測(cè)試，在標(biāo)稱輸入電壓下，二次側(cè)同步整流MOSFET即使無散熱片，工作溫度也低于60°C，設(shè)計(jì)可靠性高。

5. 傳導(dǎo)發(fā)射預(yù)合規(guī)測(cè)試

在全負(fù)載和標(biāo)稱市電電壓下，傳導(dǎo)噪聲測(cè)量值遠(yuǎn)低于EN55022 class - B標(biāo)準(zhǔn)限制。

五、物料清單與元件規(guī)格

1. 物料清單

詳細(xì)列出了EVL90WADP - LLCSR演示板的所有元件，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、電感、變壓器等，以及它們的型號(hào)、供應(yīng)商和封裝。

2. PFC線圈規(guī)格

PFC線圈適用于消費(fèi)和家電應(yīng)用，采用開放變壓器類型，垂直線圈架，最大溫升45°C，最大工作環(huán)境溫度60°C。電氣特性包括升壓、過渡模式拓?fù)?，PQ26/20 - PC44或等效鐵芯，最小工作頻率40 kHz，典型工作頻率120 kHz，初級(jí)電感520 μH ± 10%。

3. 變壓器規(guī)格

變壓器適用于消費(fèi)和家電應(yīng)用，采用開放變壓器類型，水平線圈架，最大溫升45°C，最大工作環(huán)境溫度60°C，市電絕緣符合EN60950標(biāo)準(zhǔn)。電氣特性包括半橋、諧振拓?fù)?，ETD34 - PC44或等效鐵芯，最小工作頻率60 kHz，典型工作頻率100 kHz，初級(jí)電感1200 μH ± 10%，漏電感200 μH ± 10%。

六、總結(jié)

這款19V、90W諧振轉(zhuǎn)換器在設(shè)計(jì)上充分考慮了高效性、穩(wěn)定性和可靠性，通過采用先進(jìn)的控制芯片和同步整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率、低諧波含量和良好的電磁兼容性。在實(shí)際應(yīng)用中，其性能表現(xiàn)出色，能夠滿足高端便攜式計(jì)算機(jī)等設(shè)備的電源需求。電子工程師在設(shè)計(jì)類似電源時(shí)，可以借鑒其設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)，以提高產(chǎn)品的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。你在設(shè)計(jì)電源時(shí)，是否也遇到過類似的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。