150W諧振變換器設(shè)計(jì)解析與性能評估

引言

在當(dāng)今對電源效率要求極高的時(shí)代，尤其是對于All-In-One電腦電源等應(yīng)用，高效、低功耗的開關(guān)電源設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹一款基于L6563H、L6599A和SRK2000A的150W諧振變換器演示板（EVL150W - ADP - SR），它不僅滿足ENERGY STAR的要求，還在多個(gè)方面展現(xiàn)出卓越的性能。你在設(shè)計(jì)類似電源時(shí)，是否也會(huì)面臨如何提高效率和降低功耗的挑戰(zhàn)呢？

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主要特性與電路描述

電源基本特性

• 輸入輸出參數(shù)：輸入市電范圍為90 - 264Vac，頻率45 - 65Hz；輸出電壓為12V，連續(xù)工作電流12.5A。
• 電源性能：具備低諧波、低待機(jī)功耗、高效率、低電磁干擾等特點(diǎn)，同時(shí)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，尺寸為65 x 154mm，PCB為雙面板。

電路組成

• 兩級電路：由前端PFC（使用L6563H）和LLC諧振變換器（基于L6599A和SRK2000A）組成。PFC作為預(yù)調(diào)節(jié)器，為諧振級提供400V恒定電壓，下游轉(zhuǎn)換器僅在PFC正常調(diào)節(jié)時(shí)工作。
• 關(guān)鍵芯片功能
  • L6563H：電流模式PFC控制器，工作在過渡模式，集成高壓啟動(dòng)源。
  • L6599A：集成控制諧振變換器的必要功能，固定占空比50%，可變頻率工作。
  • SRK2000A：專為LLC諧振拓?fù)湓O(shè)計(jì)的同步整流驅(qū)動(dòng)器，能自動(dòng)檢測輕載進(jìn)入睡眠模式，降低損耗。
• 變壓器設(shè)計(jì)：采用集成磁路方法，二次繞組為中心抽頭配置，無需外部額外諧振線圈。

啟動(dòng)序列與功耗優(yōu)化

• 啟動(dòng)流程：PFC先啟動(dòng)，下游轉(zhuǎn)換器在PFC輸出額定電壓后開啟。啟動(dòng)時(shí)，L6563H由集成高壓啟動(dòng)電路供電，PFC開始開關(guān)后，充電泵為控制器供電，同時(shí)激活輔助繞組供電，確保待機(jī)時(shí)正常工作。
• 待機(jī)節(jié)能：通過實(shí)現(xiàn)突發(fā)模式功能，L6599A根據(jù)負(fù)載情況驅(qū)動(dòng)L6563H進(jìn)入PFC突發(fā)模式，降低待機(jī)功耗。同時(shí)，采用二次側(cè)感應(yīng)電路直接檢測輸出負(fù)載來設(shè)置突發(fā)模式閾值，避免諧振元件參數(shù)影響。

性能測試與評估

效率測量

• 整體效率：在115Vac和230Vac下，平均效率分別為90.6%和91.8%，遠(yuǎn)超EPA rev 2.0外部電源的87%要求；在230Vac額定負(fù)載下，效率達(dá)94%，凸顯同步整流的優(yōu)勢。
• 輕載效率：即使在500mW輕載下，效率仍高于50%，表現(xiàn)出色。

諧波含量測量

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000 - 3 - 2 Class - D和日本標(biāo)準(zhǔn)JEITA - MITI Class - D測試，電路能將諧波降低到規(guī)定限值以下，同時(shí)測量的總諧波失真（THD）和功率因數(shù)（PF）表明PFC工作正常。

功能檢查

• 穩(wěn)態(tài)與零電壓開關(guān)：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開關(guān)頻率約為120kHz，變換器略高于諧振頻率工作。MOSFET在體二極管導(dǎo)通且漏源電壓為零時(shí)開啟，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。
• 啟動(dòng)與關(guān)機(jī)：PFC先啟動(dòng)，LLC在PFC調(diào)節(jié)后開啟；關(guān)機(jī)時(shí)PFC先停止，LLC在輸入電壓低于允許值時(shí)關(guān)閉。啟動(dòng)和關(guān)機(jī)過程中避免硬開關(guān)，確保設(shè)計(jì)可靠性。
• 無負(fù)載與負(fù)載過渡：無負(fù)載時(shí)，L6599A和L6563H工作在突發(fā)模式，PFC和LLC突發(fā)同步。負(fù)載過渡時(shí)，輸出電壓無明顯下降，表現(xiàn)穩(wěn)定。
• 過流與短路保護(hù)：L6599A具有過流保護(hù)功能，通過ISEN引腳檢測電流，根據(jù)不同閾值采取相應(yīng)保護(hù)措施，短路時(shí)轉(zhuǎn)換器間歇工作，限制平均輸出電流。

熱成像與傳導(dǎo)發(fā)射測試

• 熱成像：通過紅外相機(jī)進(jìn)行熱成像測試，在不同輸入電壓下，關(guān)鍵組件溫度在合理范圍內(nèi)，SR子板上的整流MOSFET溫度低于70°C，無需散熱片。
• 傳導(dǎo)發(fā)射：在全負(fù)載和標(biāo)稱市電電壓下，傳導(dǎo)發(fā)射測量值遠(yuǎn)低于EN55022 Class - B限值。

物料清單與參數(shù)說明

詳細(xì)列出了EVL150W - ADP - SR演示板的物料清單，包括電容、電感、二極管、MOSFET等各種元件的型號、規(guī)格、供應(yīng)商和封裝信息，為實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了明確的參考。

總結(jié)

這款150W諧振變換器演示板憑借其獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)和關(guān)鍵芯片的應(yīng)用，在效率、諧波控制、功能穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)卓越。無論是在重負(fù)載還是輕負(fù)載情況下，都能滿足嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)和性能要求。電子工程師們在設(shè)計(jì)類似電源時(shí)，可以借鑒其設(shè)計(jì)思路和方法，以提高電源的整體性能。你是否有興趣嘗試將這些設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到自己的項(xiàng)目中呢？