低功耗无Y电容原边调整充电器的设计

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本文介绍了一款使用TI 控制芯片UCC28720 设计的5W 无Y 电容充电器方案,并且介绍了一种变压器结构设计,在去除了Y 电容的情况下依然能够通过EMI 测试；同时，整机待机功耗在全电压范围内低于10mW。由于UCC2820 是专为驱动三极管设计的原边调整控制器，使得整机的成本更有优势。
         
        1 电源方案介绍
       
        随着智能手机以及平板电脑的普及。手机充电器的要求也越来越高。其挑战主要来源于两个方面。第一，低待机功耗。由于充电器通常都插在插座上，而且大多数时间都不在执行充电工作。但是，它们仍然会消耗电能，因而浪费了能源和用户的金钱。如何降低这些装置的待机功耗，从而节省电能、满足政府法规要求，以及为用户节省金钱，已显然是设计工程师必须面对的问题。IEC 五星级能耗要求空载时设备消耗的功率必须小于30mW。 第二，EMI 性能。由于充电器的体积非常小，成本控制严格，所以滤波器的使用受到限制, 另一方面,原副边漏电流的限制也使得越来越多的厂商采用了无Y 电容方案。这给EMI 的设计提出了极大的挑战。
         
        本方案采用了UCC28720 控制的5V@1A 反激变换器，介绍了一种特殊的变压器结构，成功去除了Y 电容了。同时由于UCC28720 是一款原边反馈变换器，从而消除了光藕及副边反馈线路,节约了成本并提高了可靠性。 UCC28720 集成了高压启动，调频调幅两种模式，使得整个变换器的待机功耗可以在全电压范围内小于10mW，已经远远优于五星级标准。
         
        下图是原理图。
         

       

         
        图1. 5W无Y电容充电器原理图
       
         
        1.1待机功耗估算
       
        电压调整控制模式下,控制器工作在调频(FM)和调幅(AM)模式,如图2 所示. 从图中可知，待机情况下，UCC28720 支持最低开关频率为680Hz；同时原边峰值电流为满载峰值电流的1/4。所以，待机功耗可作如下估算：
         
        由上式可得，待机功耗的大小跟变压器电感量大小，变换器具体的峰值电流无关，只与设计的最高工作频率与芯片最低工作频率比以及最大设计峰值电流和最小峰值电流比有关。根据芯片规格书得：
         
        本次设计中，输出功率为5W，最大开关频率设计为70KHz. 所以，可以计算得，理论待机功耗为：
         

       

         
        由于输出需要加一定的假负载来保证控制输出电压稳定，假负载一般在2mW 左右，那么整机空载功耗可以在全电压范围内做到10mW 以下。
         

       

         
        图2. UCC28720 FM 和AM 模式图
         
        1.2变压器结构设计
        变压器的电感量计算可以参考UCC28720 的规格书；这个不作详细介绍。详细的变压器计算可以参考SLUA604。这里只介绍本方案中的被证明的一种对EMC 有效的变压器结构。合适的变压器结构设计对适配器的效率和EMI 性能有很大的影响. 本文提供了一种经测试验证的变压器设计结构, 从而帮助去除了Y 电容，并且得到理想的EMI 结果。参见图3, 通过计算，使变压器原边恰好绕满骨架两层,然后加入一层屏蔽绕组，绕组一端接地，另一端埋在变压器内部。屏蔽绕组将原副边隔离，可以有效的降低共模干扰。屏蔽绕组的外面是副边绕组，最外层是辅助绕组，通过选择适当的线，使得辅助绕组刚好绕满一层。最后，变压器外加铜带做屏蔽，铜带需与磁芯可靠接触，然后通过导线接地，达到磁芯接地的目的。 使用此种结构的变压器，在本设计中，可以通过EMI 测试，并且有可靠的余量。
         

       

         
        图3. 变压器结构图
         
        当然，EMI 特性跟很多因素有关，本设计中有效的变压器结构不一定适用于其它的设计，但无论如何，都可以给后面的设计作一个参考和思路。
         
        2 测试结果
       
        根据以上分析和设计，制作了样机并验证其性能，实验结果如下。
         
        2.1 效率测试
         

       

         
        表1. 115Vac 变换器效率
         

       

         
        表2. 230Vac 变换器效率
         

       

         
        图中可以看出，变换器在全电压范围内，待机功耗低于10mW。
       
         
        2.3 输出V-I 曲线
         

       

         
        图5. 115V&230V V-I 曲线
        由图5 所示，本方案在115Vac 输入和230Vac 输入情况下，输出电压和输出电流均在客户要求的范围之内，并且可以看到，不同输入电压时，输出电流的一致性非常好。
       
         
        2.4 EMC 测试
         

       

         
        图6. 传导测试结果
       
         
        3 结论
       
        本文分析设计了使用UCC28720 控制的原边反馈反激变换器。 找到了一种合理的变压器结构，通过了EMI 测试，完成了无Y 电容的充电器设计。给未来的无Y 电容充电器的设计提供了一种参考和思路。同时，结合UCC28720 的特点，使该方案在整个输入电压范围内的待机功耗低于10mW。