由通用交流適配器供電的消費品和pC外設(shè)的數(shù)量正在迅速上升。該適配器是指能插入頻率在47到63Hz間，供應(yīng)電壓有效值在90V至264V范圍內(nèi)的交流電插座上的適配器。這些AC適配器體積小巧且供應(yīng)持續(xù)的超過50W的輸出功率，從而使許多設(shè)備不再要內(nèi)置電源。在打印機等應(yīng)用中，對峰值功率有較高的要求，它們在短時間的突發(fā)工作以外，要有相當(dāng)長的一段時間都處于待機模式。這意味著這些應(yīng)用中的AC適配器從滿載到空載必須保持很高的轉(zhuǎn)換效率，以維護其“綠色”標(biāo)準(zhǔn)。本文描述了一個打印機AC適配器的設(shè)計方法，它基于飛利浦TEA1532GreenChipTMII開關(guān)模式電源(SMpS)控制器，供應(yīng)60W持續(xù)輸出功率和90W峰值輸出功率。

這類電源標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求輸出電壓為：20V4%，其紋波和噪聲要分別低于350mV和200mV。所謂的“綠色”標(biāo)準(zhǔn)有三點要求：1）在滿負載(輸出功率為60W時工作效率應(yīng)該高于80%；2）在待機模式下(輸出功率為500mW時)，其輸入功率要低于1.25W；3）在空載情況下(打印機與適配器斷開，但仍與AC線連接)輸入功率要低于700mW。

電源拓撲架構(gòu)

TEA1532是一種變頻開關(guān)電源控制器，用于直接由整流AC線供電的準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器。雖然TEA1532可以工作在持續(xù)模式和非持續(xù)模式兩種模式，但這款A(yù)C適配器選用了準(zhǔn)諧振模式(非持續(xù)模式的邊界上)，因為這種模式的電路拓撲架構(gòu)容易理解且容易實現(xiàn)穩(wěn)定。

TEA1532采用SO8或DIp8封裝，在準(zhǔn)諧振模式下具有真正的谷底轉(zhuǎn)換，以確保改善EMI性能。除具備標(biāo)準(zhǔn)的GreenChipTMII功能外，它還有多功能保護引腳、欠壓保護和用以防止持續(xù)模式中出現(xiàn)次諧波振蕩的斜率補償功能。這些功能使設(shè)計更為簡便，所要的外部元器件數(shù)大大減少，保護功能也極大提高。

TEA1532有一項特殊的功能就是谷底鎖定特性，在大多數(shù)操作環(huán)境下，它能鎖定功率晶體管導(dǎo)通在準(zhǔn)諧振波形中的特定谷底(谷底1、2、3等)。這不僅降低了開關(guān)損耗，也阻止了由于變壓器電流調(diào)制在變壓器中出現(xiàn)的可聞噪音，尤其當(dāng)采用低質(zhì)量膠合芯的低成本變壓器時更是如此。

如圖1所示，利用不同的谷底開通功率MOSFET，可以在各種工作頻率下供應(yīng)給定的功率。OCp線代表了過電流保護界限，在線的右邊不可能工作。假如負載新增較慢，電路將繼續(xù)在同一谷底中轉(zhuǎn)換，直至到達過電流保護界限點。然后，TEA1532將重新設(shè)定谷底計數(shù)器并探尋新的工作模式，采用序號較低的一條谷底及相應(yīng)的新的開關(guān)頻率和峰值電流。在此過程中，輸出電壓并不發(fā)生改變。

圖1針對所給功率，TEA1532能根據(jù)所選擇的谷底序號，在一個以上的開關(guān)頻率上工作。當(dāng)對給定谷底的工作點達到最小開關(guān)頻率或過電流保護(OCp)線，控制器自動轉(zhuǎn)換到下一條最低序號的谷底。

在非持續(xù)模式中，變壓器初級側(cè)線圈的電流通常在新的循環(huán)開始前要回歸零。TEA1532通過能供應(yīng)Vcc供電的輔助線圈感知變壓器磁化。只有在變壓器磁芯完全去磁和感知到適當(dāng)?shù)墓鹊字岛蟛砰_始新的循環(huán)。

TEA1532采用電流模式控制。電流模式控制本身具有良好的交流紋波抑制特性。TEA1532的控制環(huán)路通過比較變壓器初級側(cè)線圈上的電流與其“CTRL”引腳上的誤差電壓(該誤差電壓是通過光隔離器耦合過來的)以出現(xiàn)所需的初級側(cè)線圈“導(dǎo)通”時間。

在低負載的情況下，控制器進入減頻模式，此時初級側(cè)線圈“導(dǎo)通”時間設(shè)置到最小值，輸出功率由變化的開關(guān)頻率控制，降低工作頻率使開關(guān)損耗減到最低。針對更低的輸出功率(例如：在待機和空載條件下)，TEA1532進入跳周期模式。只要輸出電壓仍處于較高狀態(tài)，功率開關(guān)晶體管就保持在截止?fàn)顟B(tài)。這個功能使“空載”功率耗散控制在700mW以下，且無需額外的電路。在持續(xù)模式下，可實現(xiàn)空載功率耗散在300mW以下。

元器件選擇

這款設(shè)計中重要的元器件選擇包括：輸入解耦電容、變壓器(芯尺寸、匝數(shù)比和初級側(cè)線圈電感)、MOSFET功率開關(guān)、輸出二極管和電容器。圖2完整的打印機AC適配器電路圖

在滿載且最小電壓供電單周期情況下，為了維持變壓器初級側(cè)線圈上足夠的電壓，輸入解耦電容器的容值必須足夠高。在90V/50HzAC線供電下，為了維持變壓器初級線圈所需的最小77V的電壓,建議用139F電容值。因此在此設(shè)計中選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)的值:150F。

設(shè)計變壓器的過程并不簡單。首先要決定所需的匝數(shù)比。它的上限和下限由建議采用的功率MOSFET晶體管的最大漏源電壓(VDS)和次級整流二極管的反向電壓限決定。功率MOSFET要承受由于變壓器漏感出現(xiàn)的電壓尖峰，它在磁芯消磁開始時加到輸入峰值上(265V交流供電時峰值輸入電壓為373V)。尖峰電壓的幅值隨著漏感及變壓器輸出的新增而新增，它確定了匝數(shù)比的上限。次級整流二極管的反向承受電壓決定匝數(shù)比的下限。針對600VVDS功率MOSFET和100VVR二次整流器二極管的選擇，匝數(shù)比的上、下限分別為5.22和4.66，因此選擇匝數(shù)比為5。

變壓器的初級側(cè)線圈電感由最小輸入電壓下所達到的最大輸出功率決定。在這樣的前提下，適配器必須在接近最大頻率和峰值電流的情況下工作，這意味著TEA1532要在消磁后第一個振蕩谷底處開啟功率MOSFET。為了計算所需的初級側(cè)線圈電感，就必須確定振蕩周期，它由T-on+T-off+T-osc構(gòu)成，詳見圖3。

圖3首個谷底開關(guān)條件(最小輸入電壓、最大輸出負載)

由于TEA1532在這些條件下的谷底檢測的頻率上限為700KHz，所以決定在功率MOSFET漏極上加一電容，使之與變壓器初級側(cè)線圈電感在450KHz諧振。這樣不僅供應(yīng)了充足的設(shè)計余量而且限制了漏極上的dV/dt。T-osc因而設(shè)置在1.11s。最大的T-on由最大開關(guān)頻率的最小值(50KHz)下的最大占空比決定，而最大占空比由匝數(shù)比(5)、初級側(cè)線圈上的最小直流電壓(77V)、輸出電壓(20V)和次級整流二極管的正向電壓降(0.5V)決定。在以上情況下，最大占空比為0.57，對應(yīng)的最大T-on時間為10.7s。

初級側(cè)線圈電感要求在57KHz時傳送的最大功率為98W(標(biāo)稱90W輸出加損耗)，計算得到電感197H和對應(yīng)峰值電流4.15A。從變壓器磁芯參數(shù)可計算出初級側(cè)線圈匝數(shù)(磁芯Bmax=220mT和Ae=109mm2時為35匝)。匝數(shù)比再決定次級線圈所需的匝數(shù)量。

一旦以上的參數(shù)確定之后，余下的大部分設(shè)計就相比較較簡單了。通過最初計算出的初級側(cè)線圈峰值電流可以決定電流感測電阻器的值。變壓器次級線圈上的伏特/匝可用于確定輔助線圈(為TEA1532供應(yīng)最小值為13VVcc的供電)的匝數(shù)。峰值鉗位二極管(D105)的選擇重要有四個方面考慮：反向額定電壓等于或高于MOSFET的VDS值，額定電流高于初級側(cè)線圈峰值電流，具有非常低的正向恢復(fù)電壓和短的反向恢復(fù)時間。還要檢查漏-源電容(MOSFET電容加外部諧振電容器)值，使MOSFET關(guān)閉時的轉(zhuǎn)換率(dV/dt)限定在一個安全值(<8KV/s)。

只要次級輸出電壓的峰值低于100V，次級整流二極管就可以選肖特基二極管，因為其低的正向壓降能使功率損失降到最低。選擇次級平滑電容器以滿足輸出紋波電流要求，而且額定電壓必須高于適配器出現(xiàn)開環(huán)故障情況下出現(xiàn)的電壓。

此AC適配器符合各項性能指標(biāo)，其中包括在60W輸出時轉(zhuǎn)換效率在80%以上并且功率器件所需的散熱器體積極小。