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来源:本站原创 发布时间:2019-10-08 点击数:

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  基于 Fairchild KA5M0365R 的低成本开关电源适配器设计 摘要:采用开关电源(SMPS)方式制成的电源适配器能充分实现小型、轻量和高效率的性能特点。介绍一种采用飞兆半 摘要 导体生产的 KA5M0365R 单片开关电源芯片的低成本、高性能 AC-DC 适配器的设计,着重介绍该适配器的方案考虑、 电路结构与 PCB 设计等问题。 关键词:开关电源;适配器;设计 关键词: 引言 目 前,国内大多数 DVD 生产厂家已把主产品从传统台式 DVD 转到了便携式 DVD。因此需要大批能实现 AC 到 DC 转换的电源适配器,不仅在体积、重量、性能等 方面有较高要求,同时在成本价格方面也有一定限制。采用开 关电源(SMPS)方式制成的电源适配器能充分实现小型、轻量和高效率的性能特点,而采用飞兆半 导体(Fairchild)生 产的单片开关电源芯片 KA5M0365R 制成的 24W 开关电源适配器更是在成本价格方面具有明显的优势。 为某企业开发的 24W 开关电源适配器的基本要求是: ①形式: 插墙型开关电源适配器; ②输入: 90~240VAC、 50/60Hz; ③输出:12VDC、2A; ④有短路、过载保护; ⑤通过 UL 认证; ⑥外型:75mm×50mm×35mm。 方案考虑 常 规 SMPS 系统均采用 PWM 控制 IC 和场效应管(FET)作为开关,现在大多采用单片 IC。这些单片 IC 针对各种 功率级别和应用进行了优化,一般分为双芯 片式单片 IC 和单芯片式单片 IC 两类。双芯片式单片 IC 内部包括控制 器芯片和 MOSFET 芯片,而单芯片式单片 IC 内部仅有一个芯片。 设计时的一般考虑是: 在高功率应用时选择双芯片方案, 而在低功率应用时则选择单芯片方案,高低功率的分界点在 15~20W 左右。 飞兆半导体生产的 KA5M0365R 是双芯片器件,其价格便宜, 成为方案设计时的首选单片 SMPS 电路。 掌上 DVD 用开关电源适配器要求有很高的保护功能,KA5M0365R 同时具有过载保护、过压保护、过流保护、 欠压保护和过热保护特性。KA5M0365R 的主要功能与特点是: 图 1 KA5M0365R 内部框图 图 2 KA5M0365R 引脚排列图 1 脚-接地端(GND) 2 脚-漏极输出端(DRAIN) 3 脚-VCC 端(VCC) 4 脚-反馈端(FB) ① 内部框图(见图 1); ② 采用 TO-220F-4L 封装(见图 2); ③漏源反压 650V;④25℃连续漏极直流电流额定值 3A, 100℃连续漏极直流电流额定值 2.4A; ⑤内置精密振荡工作频率 67KHz; ⑥低启动电流(典型值 100μA); ⑦电流限制调整功能; ⑧过流保护; ⑨过压保护;⑩内置过热保 护功能;⑾低电压闭锁;⑿内置高压 SenseFET;⒀自动重启功能。 电路结构 图 3 适配器的电路构成 图 3 给出了适配器的电路图。 电路中采用 KA5M0365R 构成了连续电流模式(CCM)的反激式开关电源。 接通电源后交 流电压自线路输入端输入,经过一个用 于抑制 EMI 的滤波器(C1、T1)、桥型整流器(D1~D4)和滤波电容器(C2)产生 直流高压。R8 是 U1 的启动电阻。在第一次接通电源时,U1 以旁路模式工作,C8 被充电,一旦达到电压锁定阈值 15V 范围的上限,U1 就开始开关,其电流需求增加,VCC 电压开始下降。但假定 C8 容量足够大,VCC 电 压仍会保 持在电压锁定阈值范围的较低水平,在正常工作期间,反馈绕组提供的反馈电压经 D6、C8 整流后,产生直流电压开 始为 U1 供电。 漏极箝位保护电路(缓冲网络 Snubber Network)由 C3、R7、D5 组成,可将漏极关断时由于变压器泄漏电感而在 初级产生的尖峰电压限定在安全范围内,以确保不会造成开关漏极电压超过其击穿电压。 次级电压经 D7、C4、L1、 C5 整 流 滤 波 后 获 得 +12V 稳 压 输 出 。 次 级 高 频 整 流 管 D7 采 用 大 电 流 、 低 压 降 的 肖 特 基 二 极 管 , 型 号 是 MBR10100CT(10A/100V)。 可调式精密并联稳压器 TL431 构成外部误差放大器,它与光耦合器一起组成光耦反馈电路,反馈电压加至 U1 的反 馈端。稳压原理是当输出电压 V0 发生波动时, 经 R5、R6 分压后得到的取样电压与 TL431 的 2.5V 基准电压比较,产 生外部误差电压,通过光耦合器使 FB 的反馈电流产生相应的变化,并以此调节占空比,达到稳压目的。R4、C6 为控制 环路的补偿电阻与电容,R2 为光耦中 LED 的限流电阻。4883co4883福马堂开奖结果m福马堂,高频变压器的初、次级间耦合电容会造成共模干扰,可以通过 安全 电容 C7 加以滤除。 电路参数设计 电路参数设计可按下面步骤进行:①确定系统规格;② 确定输入整流滤波电容和 DC 电压范围;③确定最大占 空比;④确定输出电感器电流的纹波因数;⑤确定变压器的合适磁芯和初级匝数的最小圈数以防止磁芯饱 和;⑥ 确定变压器每个绕组的匝数;⑦根据 RMS 电流值确定变压器每个绕组的导线直径;⑧确定输出电感器的合适磁芯 与匝数;⑨根据输出额定电压与额定电流值 确定次级整流二极管;⑩根据电压与电流纹波确定次级输出滤波电容; ⑾设计 RCD 缓冲网络;⑿设计 TL431 反馈补偿网络。 飞兆半导体公司 为了简化设计师的工作并提高其工作效率,免费提供称为 FPS 设计助手(Fairchild Power System design assistant)软件设计工具。图 3 中的有关元器件参数即是根据在 FPS 设计助手中计算再经装机调整后确定的, 两者基本一致。 变压器设计 开关电源中高频变压器性能的优劣不仅对电源效率有较大影响,而且直接关系到电源的其他技术指标和电磁兼 容性。为此,一个高效率的高频变压器应符合直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间 的耦合电容小等条件。 本适配器的高频变压器参数在 FPS 设计助手中可轻松算出。依此数据绕制而成的高频变压器经上机测试后,有关参 数可能要进行适当调整。变压器应采用夹层绕法(俗称三明治绕法)以减少漏感。 PCB 设计 在 连接 U1、C2、高频变压器初级绕组的引线上有高频开关电流通过容易引起共模电磁干扰,因此上述引线应 尽量短,以使印制板尺寸与环路面积最小。漏极箝位保 护电路的 C3、R7、D5 与变压器初级绕组的引线要尽量短。 接于高频变压器次级绕组的输出二极管和输出滤波电容器的回路面积应最小。此外在二极管阳极、阴 极端的铜箔 面积应足够大,以承受较大的电流与利于散热。光耦的引脚和源极脚走线应尽量短,可使噪声耦合最小。 适配器 PCB 必须符合安规要 求:①交流电源进线、保险丝之前两线mm,两线与机壳或 机内接地最小安全距离不小于 8mm;②保险丝后的走线要求:零、火线最小爬电 距离不小于 3mm;③高压区与低 压区最小爬电距离不小于 8mm、不足 8mm 或等于 8mm 的,须开 2mm 的安全槽;④高压区须有高压示警标识的丝 印;高压区须用丝印框住,框条丝印须不小于 3mm 宽;⑤高压整流滤波正负之间最小安全距离不小于 2mm。 其它 在适配器的设计过程中还必须很好的考虑并解决散热问题以及电磁兼容(EMC)问题。散热问题主要考虑发热元 器件本身的散热及整个适配器内部工作热量产生的温升两方面的问题。抑制开关电源的噪声一般主要通过滤波、变 压器的绕制与屏蔽这三种手段加以抑制。本适配器中为防止高频变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰,把一铜片 环绕在变压器外部构成屏蔽带并接地。该屏蔽带相当于短路环,能对泄漏磁场起到抑制作用,有效地降低了输出纹 波。 结束语 设计完成的适配器实测主要指标:①精度:±2%;②纹波:50mV;③效率:83%;④建立、上升、保持时间: 100ms、80ms、30ms;⑤重量:200g。该型适配器现已通过有关安全性与 EMC 性能测试、投入批量生产。其性能 优良、成本低廉,有较好的推广价值。