基于FAN6754A在PWM反激式開(kāi)關(guān)電源應用設計

　　本文介紹了新款峰值電流型PWM控制芯片FAN6754A的工作特性和原理，分析了反激式開(kāi)關(guān)電源的設計原理以及工作過(guò)程。針對次級電路結構，設計了一種新型反激式開(kāi)關(guān)穩壓電源。著(zhù)重介紹了反激式開(kāi)關(guān)電源的變壓器設計過(guò)程，包括電感值的計算、磁芯的選擇、繞組匝數的確定以及氣隙等。利用三端穩壓器TL431配合FAN6754A實(shí)現了對電源電壓的控制和穩壓輸出，采用光耦器件實(shí)現了輸入/輸出的隔離和反饋。并在電源電路中加入了熱敏電阻以及過(guò)壓、過(guò)流保護等保護措施。實(shí)驗測試結果表明：所設計的電源效率接近89%、穩壓性能優(yōu)良、紋波小、電壓調整率、負載調整率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　不論在成本還是在技術(shù)方面，反激式拓撲都已被證明是一種有效的解決方案，在筆記本電腦的AC-DC適配器和充電器中用PWM功率轉換來(lái)實(shí)現。這里本文設計了一種采用FAN6754A控制芯片應用于65W/19V筆記本電源適配器的新型反激式開(kāi)關(guān)電源。

　　FAN6754A概述

　　FAN6754A是飛兆半導體(Fairchild)公司一款高度集成的用于通用開(kāi)關(guān)電源和包括電源適配器在內的反激式綠色PWM控制器，可滿(mǎn)足目前嚴苛的國際節能規范要求， FAN6754A可提供高啟動(dòng)電壓，將輕負載下的能效?提高25%.內置8ms軟啟動(dòng)電路可大大減少MOSFET啟動(dòng)時(shí)的電流尖峰和輸出電壓過(guò)沖現象。 FAN6754A能降低EMI多達5-10dB的抖頻功能，此外，FAN6754A加入了數項設計功能，能夠降低總體功耗，例如專(zhuān)有綠色模式功能，提供關(guān)斷時(shí)間調制以連續減低輕負載條件下的開(kāi)關(guān)頻率。

　　FAN6754A內置了多種穩健、精確的保護功能，以保護電源避免故障，完全無(wú)需增添外部組件或電路，如過(guò)低電壓保護、欠壓鎖定(UVLO)、過(guò)壓保護(OVP)、過(guò)載保護(OLP)和過(guò)溫保護(OTP)、過(guò)流保護(OCP) 和過(guò)流限制(OCL)。VDD過(guò)壓保護(OVP)功能可防止反饋環(huán)路開(kāi)環(huán)等異常狀況造成的損害。當VDD因異常狀況超過(guò)24V時(shí)，PWM輸出將會(huì )關(guān)斷。欠壓鎖定(UVLO)電路有兩個(gè)閾值，即導通和關(guān)斷閾值，分別內固定為17V和10V.這里的UVLO具有兩段式的關(guān)斷閾值，控制器的保護動(dòng)作時(shí)，VDD電壓下降到UVLO的關(guān)斷閾值10V之下，PWM輸出將被停止。但VDD此時(shí)不會(huì )馬上重新上升，會(huì )繼續下降到完全關(guān)斷電壓點(diǎn)6.5V之后，VDD才會(huì )重新上升到啟動(dòng)電壓點(diǎn)，PWM控制器便會(huì )重新輸出脈沖，這種機制使電源在輸出短路或開(kāi)環(huán)等異常情況下，平均輸入功率可以被大大降低，不會(huì )發(fā)生電源過(guò)熱的現象。不同于以往的PWM控制器，FAN6754A的HV4引腳還能執行AC欠壓保護功能。采用一個(gè)快速二極管和啟動(dòng)電阻來(lái)對AC線(xiàn)電壓進(jìn)行采樣(每180μS一次采樣，脈寬20μS)，每一個(gè)采樣周期峰值都被更新并存儲在寄存器中，這個(gè)峰值可用于欠壓和電流級限制調節。當HV引腳上的電壓低于欠壓電壓時(shí)，PWM 輸出關(guān)斷。此外， HV 引腳能夠進(jìn)行限流值調整，縮小整個(gè)AC 電壓范圍上的過(guò)流保護容限。

　　反激式開(kāi)關(guān)電源的設計

　　電源主電路采用單端反激式拓撲結構，開(kāi)機后，220V市電經(jīng)過(guò)EMI濾波器、整流橋BD和濾波電容后，轉化為約310V的直流電;220V市電的通過(guò)啟動(dòng)電阻R7觸發(fā)芯片內部的恒流源對VDD電容充電，當VDD達到導通門(mén)檻電壓后，FAN6754A輸出脈沖，電源開(kāi)始工作，此后芯片由輔助繞組供電， 電壓維持在17V左右。主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通后，次級Q3 處于斷態(tài)，原邊N1繞組的電流線(xiàn)性增長(cháng)，電感儲能增加;開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)副邊繞組和Q3向輸出端釋放。 FAN6754A 8腳產(chǎn)生的PWM脈沖輸出，推動(dòng)開(kāi)關(guān)管的導通和截止，通過(guò)高頻變壓器將電壓輸出到次級繞組上，高頻方波脈沖電壓再經(jīng)整流濾波變成直流電壓輸出。反饋繞組取得的輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓、采樣后輸入誤差放大器，與基準電壓比較產(chǎn)生控制電壓，即輸出脈寬，實(shí)現了穩壓作用.本文設計要求：輸入交流 90V~264V,一路為電源輸出19V/3.42A,一路給PWM控制器供電17V/1.5mA;輸出均無(wú)后級線(xiàn)性調整器，頻率65kHz，隨著(zhù)輸入電壓的變化能自動(dòng)調節PWM輸出來(lái)保證輸出電壓的穩定，總輸出功率65W，效率為80%。設計如下圖所示。

　　根據設計要求當HV 啟動(dòng)時(shí)輸入直流電壓典型值104V(相當于交流80.6V)時(shí)電源起動(dòng)， 驅動(dòng)HV 電流為最小2.0mA,典型電流為3.5mA, 根據輸入電壓范圍及HV 內阻為1.62K,考慮取裕量選定一個(gè)1N4007 和200K 高壓電阻。另外，為兼顧開(kāi)機啟動(dòng)時(shí)間和VDD 供電能力，采用了兩個(gè)電解電容，中間用二極管隔開(kāi)的供電線(xiàn)路，開(kāi)機時(shí)， 市電通過(guò)HV 腳只對靠近IC 的第一個(gè)電容充電，I C 快速啟動(dòng)后，二級管導通，兩個(gè)電容一起給IC 供電。電源正常模式開(kāi)關(guān)頻率為65KHz，在具體設計中選定Rt=5.6K，Ct=1nF。

　　反激變換器要求輸入交流電壓為90V~264V能夠正常使用，最大輸入電壓時(shí)加在變換器上的整流直流電壓為：

　　此處MOSFET管承受的漏源間最大電壓， Vds_max=Uinmax+nVo.假設n是4.5,Vo是19V,則Vds_max=373+4.5*19=458.5(V)， 因為還有漏感產(chǎn)生的尖峰電壓存在，應留有一定裕量，取650V耐壓的 MOSFET.MOSFET管選用標準為：在滿(mǎn)足器件開(kāi)關(guān)應力的前提下，驅動(dòng)電路使輸出的驅動(dòng)波形具有陡峭的上升沿和下降沿，設計中選定MOSFET型號為：SPA07N65C3(漏源級電壓650V， 漏極電流7A，導通電阻0.6Ω)。

　　由于變壓器的繞制工藝引起的漏感以及負載的電感性引起的開(kāi)關(guān)電壓應力過(guò)大可能導致開(kāi)關(guān)管的損壞，此處采用的是有瞬態(tài)電壓抑制器與二極管串聯(lián)構成的尖峰電壓吸收網(wǎng)絡(luò )，可有效防止功率MOSFET 管關(guān)斷過(guò)程中承受的反壓。D8 是型號P6 KE150A 的TVS(Transient Voltage Suppresser)， 鉗位電壓150V/耗散功率600W,D9 是BYV95C(1 A/1KV)具有軟恢復特性的二級管。開(kāi)關(guān)管Vds 的最大鉗位電壓：Vds(clamp)=Vds_max+VD5=458.5+1 50=608.5(V)， 小于MOSFET 額定值650V.在此吸收網(wǎng)絡(luò )與傳統的RCD 吸收網(wǎng)絡(luò )不同的是，在低壓輸入或輕載的情況下，開(kāi)關(guān)管的Vds 電壓不足以使其動(dòng)作，這樣減少了功率的損耗，提升了整機低壓輸入和輕載時(shí)的效率。

　　FAN6754A 具有開(kāi)環(huán)保護(OLP)功能，在出現開(kāi)環(huán)或輸出短路故障時(shí)可確保系統的安全性。輸入到SENSE6 腳的外部電阻值可轉為電壓值，與芯片內部構成電流內環(huán)控制。以電壓反饋環(huán)路的反饋電壓VFB 為參考值，一旦VFB 低于閾值電壓，開(kāi)關(guān)頻率便會(huì )持續降低。目前大多數開(kāi)關(guān)電源都采用離線(xiàn)式結構，一般從次級繞組回路中通過(guò)電阻分壓取樣，但由于反饋不能直接從輸出電壓取樣，沒(méi)有隔離故抗干擾能力差，不適合精度要求較高或負載變化范圍較寬的場(chǎng)合，這里采用可調式精密并聯(lián)穩壓器TL431 配合光耦構成反饋回路。并聯(lián)穩壓器T L431CLP 輸出電壓大約為2.5V，IF50mA，CTR>5 0%.TL431CLP 與光耦FOD817A 構成精密反饋回路，對Vo19V 做精細調整，組成精密開(kāi)關(guān)電源，使電壓調整率和負調整率達到0.2%以下。PWM 占空比由FB 電壓和電流取樣來(lái)決定。取R21=0.15Ω， 當電流流過(guò)MOSFET 短路地時(shí)，FAN6754A 內部電流放大器使導通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使FAN6754A 停止工作，沒(méi)有觸發(fā)脈沖輸出，使MOS 管截止，達到保護功率管的目的。當Vsense 小于大約0.46V 時(shí)，進(jìn)入SENSE6 腳短路保護。如果反饋電壓(FB)有一定時(shí)間大于4.6V，PWM 脈沖即被禁用。

　　通過(guò)采用一個(gè)外部負溫度系數(NTC)熱敏電阻來(lái)感測外部系統的溫度，可實(shí)現過(guò)熱保護(OTP)功能。NTC 熱敏電阻TR1 的阻抗隨溫度增加而下降， RT5 引腳上的電壓VRT 相應降低。如果VRT 小于1.035V,PWM 在12mS 后關(guān)斷。如果VRT 小于0. 7V,PWM 在100uS 后關(guān)斷。

　　輸出二極管RC 吸收網(wǎng)絡(luò )的設計可以遵循下面步驟：(1)測試不加RC 網(wǎng)絡(luò )時(shí)的二極管反向電壓諧振周期Tr;(2)選取一個(gè)陶瓷電容Cdsn 與二極管并聯(lián)，使其反壓的諧振周期為2*Tr;(3)根據下式計算吸收電阻Rdsn:Rdsn=3*Tr/(2π*Cdsn)。根據以上實(shí)際得到的R19;C21 數值分別為：47Ω 和1nF。

　　高頻變壓器承擔著(zhù)儲能、變壓、傳遞能量等工作，其設計如下。

　　(1)功率選擇。

　　二次繞組為FAN6754A 的W2 工作供電和W3 輸出。W2 工作電壓為19V 和峰值電流約3.42A, 可得估算輸出功率約為65W。

　　(2)磁芯的選用。

　　本設計選用的開(kāi)關(guān)頻率為65kHz，由功率-磁芯尺寸圖查得選用RM10 鐵氧體磁芯，其有效面積A e 為98mm2，飽和磁通密度在100℃為390mT。

　　(3)繞組匝數的確定。

　　原邊繞組開(kāi)關(guān)管的最大開(kāi)通時(shí)間對應在最低輸入電壓和最大負載時(shí)發(fā)生。在本設計中，最大占空比為：D=Ton/T=0.5，對應周期時(shí)長(cháng)為：T=l/f=1 5us，則Ton=7.5us.

　　由此可得，變壓器原邊匝數為：

　　△B取0.2Tesla，取Np=50 匝。根據反激式電路原邊與副邊電壓的關(guān)系：Vo= [(Ns/Np)*D/(1-D)]*Vp,計算W2 繞組(+1 9V)的匝數。設整流二極管壓降0.7V，繞組壓降0. 6V，則繞組輸出電壓值為：

　　同理，供電給FAN6754A VDD17V/1.5mA 也可獲得。

　　(4)變壓器原邊電感的計算校核

　　在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，原邊的平均輸入電流為：I1 =Po/ηVs，式中變壓器的效率取η=85%，則有：

　　I1=65/(0.85*90√2 )=0.60A

　　峰值電流是Ipeak=2*I1/Dm ax=2*0.60/0.50=2.4A.

　　設計變壓器原邊電流的變化量：△I=(2/3)*I peak=2.40*2/3=1.6A.

　　由電壓與電流變化量關(guān)系V=L(△I/△T)，可得：

　　符合此處的工作要求。

在最低壓輸入和最大峰值電流是變壓器工作的最差情況，據此條件驗證變壓器是否飽和，由公式：Bmax=L