基于L6565準諧振PWM控制器的30W AC - DC適配器設計與評估

引言

在電子設備的電源設計中，AC - DC適配器是不可或缺的一部分。今天我們要探討的是基于L6565準諧振（QR）PWM控制器的30W AC - DC適配器評估板（STEVAL - ISC001V1）。這個評估板為AC - DC適配器的設計提供了一個參考，能以較低的成本實現(xiàn)良好的性能。

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設計規(guī)格

電氣規(guī)格

評估板的電氣規(guī)格涵蓋了輸入電壓、輸出功率、效率等多個方面。輸入電壓范圍為88 - 264V ac，市電頻率為50/60Hz，最大輸出功率30W，輸出電壓為15V ± 3%，輸出電流為0 - 2A，輸出紋波 ≤ 1%。最小開關頻率在100V DC輸入電壓時為60kHz，在輸出功率為30W、輸入電壓為88 - 264V ac時，目標效率 η > 80%，最大空載輸入功率 < 0.75W，并且要符合歐洲外部電源效率行為準則。

物料清單（BOM）

BOM詳細列出了評估板所需的各種元器件，包括電阻、電容、電感、變壓器、二極管、集成電路等。每個元器件都有明確的參數和規(guī)格要求，例如電阻的阻值和精度、電容的容值和耐壓等。這些元器件的選擇直接影響到適配器的性能和穩(wěn)定性。

變壓器規(guī)格

變壓器采用了特定的型號（558179），由Albe s.r.l. 提供。其核心采用E25/13/7，N67材料或3C85或等效材料，線軸為垂直安裝，有10個引腳。氣隙約為1mm，電感為740μH，漏電感在60kHz時小于20μH。繞組的規(guī)格和繞制方式也有詳細規(guī)定，不同繞組的引腳起始和結束位置、線徑、匝數等都有所不同。

評估板功能

開關頻率與電壓設計

最小開關頻率（在 (V{in }=100 ~V{DC}) 時為60kHz）是在變壓器尺寸和頻率相關損耗之間進行權衡后選擇的。反射電壓選擇為150V，只有當轉換器在110V市電下工作時才能實現(xiàn)零電壓開關（ZVS），這個值在220V市電下能在電容和開關損耗之間取得較好的平衡。為了應對漏電感尖峰，使用了800V的功率MOSFET（STP5NK80ZFP）。

啟動電路與損耗優(yōu)化

為了滿足空載消耗目標，采取了兩個設計選擇。一是使用由D1、D2、C14和R1組成的電荷泵啟動轉換器，而不是通常的降壓電阻。由于L6565的啟動電流極低，這種電路在88 (V{ac}) 時典型喚醒時間為2.8s，在264 (V{ac}) 時為0.75s，并且在264 (V_{ac}) 時功耗小于50mW，相比使用降壓電阻的啟動電路可節(jié)省約200mW。二是使用瞬態(tài)抑制二極管（D4）和D3組成的鉗位電路來處理漏電感尖峰，而不是RCD鉗位，這樣又可節(jié)省約200mW。

輸出電壓調節(jié)與保護

輸出電壓調節(jié)采用次級反饋，使用TL431 + 光耦的典型配置。R12、C13和C9在初級側補償電壓環(huán)路以確保穩(wěn)定性，通常交叉頻率為5kHz，相位裕度為70°。在初級繞組兩端添加了100pF的低損耗電容（C15），通過對漏極電壓上升率的小緩沖效應來優(yōu)化最大功率時功率MOSFET的損耗。變壓器去磁和功率MOSFET導通之間的延遲通過R8進行調整，最終值47kΩ是通過實驗確定的，以實現(xiàn)最佳導通點。

轉換器具有完善的短路保護功能。在短路情況下，它以內部啟動器的頻率（2.5kHz）運行，輔助繞組上的反射電壓下降，導致L6565的供電電壓無法維持，從而進入間歇性運行（“打嗝”模式），功率吞吐量較低（在264 (V_{ac}) 時 < 1W）。R10通過上拉ZCD引腳防止功率MOSFET因引腳信號反彈而誤導通。此外，L6565電流檢測引腳的第二過流電平使得二次繞組直接短路或D7短路時也會導致間歇性運行，功率吞吐量更低。

評估板評估

測試設置

在進行評估時，將88 - 264 (V_{ac}) 的交流電壓通過交流源施加到連接器M1。如果使用高壓直流源，需要注意啟動電荷泵將無法工作，需要使用降壓電阻來讓L6565啟動。15V DC輸出（連接器M2）靠近右下角，連接到負載。如果使用CC模式的電子負載，要確保負載開始吸收電流的電壓 > 1V，否則可能導致評估板在最大負載下無法啟動。

測試結果

通過一系列的測試，得到了評估板的各項性能指標。典型性能包括調節(jié)后的輸出電壓、最小和最大工作頻率、線路和負載調節(jié)率、輸出電壓紋波、最大滿載效率和最大空載輸入功率等。不同負載和線路條件下的波形也為我們提供了直觀的參考，幫助我們更好地理解評估板的工作狀態(tài)。

評估板優(yōu)化

為了滿足歐洲外部電源效率行為準則第三階段的要求（自2005年1月1日起生效），需要對評估板進行優(yōu)化，使空載消耗在額定輸入電壓（220 (V_{ac}) ）下小于0.5W。主要的優(yōu)化步驟包括：

1. 消除C15：雖然這會在重負載和中等負載時略微降低效率，但在最大市電下可節(jié)省約100mW的空載輸入消耗。
2. 更換啟動電路：用更高效的高壓有源啟動電路（如圖15所示）替換啟動電荷泵，可節(jié)省約40mW的輸入消耗。
3. 改變反饋網絡拓撲：修改初級側的反饋網絡拓撲，將光耦的工作電流從3mA降低到1mA，并減少次級側的假負載，可降低約100mW的輸入消耗。

此外，還可以通過增加R2、R3和R4的阻值，使用更小或更低電壓額定值的功率MOSFET來降低漏極節(jié)點的寄生電容，以及最小化初級繞組的寄生電容等方法來進一步優(yōu)化設計，獲得更多的設計余量。

總結

基于L6565準諧振PWM控制器的30W AC - DC適配器評估板為電源設計提供了一個可行的方案。通過合理的設計和優(yōu)化，可以在滿足性能要求的同時，降低成本和空載消耗。在實際應用中，工程師們可以根據具體需求對評估板進行進一步的調整和改進，以實現(xiàn)更好的性能和穩(wěn)定性。你在設計類似的AC - DC適配器時，是否也遇到過類似的問題呢？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗。