基于FAN6754A的PWM反激式開關電源的設計

摘要：介紹了新款峰值電流型PWM控制芯片F(xiàn)AN6754A的工作特性和原理，分析了反激式開關電源的設計原理以及工作過程。針對次級電路結構，設計了一種新型反激式開關穩(wěn)壓電源。著重介紹了反激式開關電源的變壓器設計過程，包括電感值的計算、磁芯的選擇、繞組匝數(shù)的確定以及氣隙等。利用三端穩(wěn)壓器TL431配合FAN6754A實現(xiàn)了對電源電壓的控制和穩(wěn)壓輸出，采用光耦器件實現(xiàn)了輸入/輸出的隔離和反饋。并在電源電路中加入了熱敏電阻以及過壓、過流保護等保護措施。實驗測試結果表明：所設計的電源效率接近89%、穩(wěn)壓性能優(yōu)良、紋波小、電壓調整率、負載調整率高等優(yōu)點。

0 引言

不論在成本還是在技術方面，反激式拓撲都已被證明是一種有效的解決方案，在筆記本電腦的AC-DC適配器和充電器中用PWM功率轉換來實現(xiàn)。這里本文設計了一種采用FAN6754A控制芯片應用于65W/19V筆記本電源適配器的新型反激式開關電源。

1 FAN6754A概述

FAN6754A是飛兆半導體（Fairchild）公司一款高度集成的用于通用開關電源和包括電源適配器在內的反激式綠色PWM控制器，可滿足目前嚴苛的國際節(jié)能規(guī)范要求， FAN6754A可提供高啟動電壓，將輕負載下的能效？提高25%.內置8ms軟啟動電路可大大減少MOSFET啟動時的電流尖峰和輸出電壓過沖現(xiàn)象。FAN6754A能降低EMI多達5-10dB的抖頻功能，此外，F(xiàn)AN6754A加入了數(shù)項設計功能，能夠降低總體功耗，例如專有綠色模式功能，提供關斷時間調制以連續(xù)減低輕負載條件下的開關頻率。

FAN6754A內置了多種穩(wěn)健、精確的保護功能，以保護電源避免故障，完全無需增添外部組件或電路，如過低電壓保護、欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護（OVP）、過載保護（OLP）和過溫保護（OTP）、過流保護（OCP） 和過流限制（OCL）。VDD過壓保護（OVP）功能可防止反饋環(huán)路開環(huán)等異常狀況造成的損害。當VDD因異常狀況超過24V時，PWM輸出將會關斷。欠壓鎖定（UVLO）電路有兩個閾值，即導通和關斷閾值，分別內固定為17V和10V.這里的UVLO具有兩段式的關斷閾值，控制器的保護動作時，VDD電壓下降到UVLO的關斷閾值10V之下，PWM輸出將被停止。但VDD此時不會馬上重新上升，會繼續(xù)下降到完全關斷電壓點6.5V之后，VDD才會重新上升到啟動電壓點，PWM控制器便會重新輸出脈沖，這種機制使電源在輸出短路或開環(huán)等異常情況下，平均輸入功率可以被大大降低，不會發(fā)生電源過熱的現(xiàn)象。不同于以往的PWM控制器，F(xiàn)AN6754A的HV4引腳還能執(zhí)行AC欠壓保護功能。采用一個快速二極管和啟動電阻來對AC線電壓進行采樣（每180μS一次采樣，脈寬20μS），每一個采樣周期峰值都被更新并存儲在寄存器中，這個峰值可用于欠壓和電流級限制調節(jié)。當HV引腳上的電壓低于欠壓電壓時，PWM 輸出關斷。此外， HV 引腳能夠進行限流值調整，縮小整個AC 電壓范圍上的過流保護容限。

2 反激式開關電源的設計

電源主電路采用單端反激式拓撲結構，開機后，220V市電經(jīng)過EMI濾波器、整流橋BD和濾波電容后，轉化為約310V的直流電；220V市電的通過啟動電阻R7觸發(fā)芯片內部的恒流源對VDD電容充電，當VDD達到導通門檻電壓后，F(xiàn)AN6754A輸出脈沖，電源開始工作，此后芯片由輔助繞組供電， 電壓維持在17V左右。主開關管開通后，次級Q3 處于斷態(tài)，原邊N1繞組的電流線性增長，電感儲能增加；開關管關斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過副邊繞組和Q3向輸出端釋放。FAN6754A 8腳產(chǎn)生的PWM脈沖輸出，推動開關管的導通和截止，通過高頻變壓器將電壓輸出到次級繞組上，高頻方波脈沖電壓再經(jīng)整流濾波變成直流電壓輸出。反饋繞組取得的輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后輸入誤差放大器，與基準電壓比較產(chǎn)生控制電壓，即輸出脈寬，實現(xiàn)了穩(wěn)壓作用[4].本文設計要求：輸入交流90V~264V,一路為電源輸出19V/3.42A,一路給PWM控制器供電17V/1.5mA, 輸出均無后級線性調整器，頻率65kHz,隨著輸入電壓的變化能自動調節(jié)PWM輸出來保證輸出電壓的穩(wěn)定，總輸出功率65W，效率為80%。設計如下圖所示。

圖1 FAN6754A 電路原理圖

根據(jù)文獻[1]設計要求當HV 啟動時輸入直流電壓典型值104V（相當于交流80.6V）時電源起動， 驅動HV 電流為最小2.0mA,典型電流為3.5mA, 根據(jù)輸入電壓范圍及HV 內阻為1.62K,考慮取裕量選定一個1N4007 和200K 高壓電阻。另外，為兼顧開機啟動時間和VDD 供電能力，采用了兩個電解電容，中間用二極管隔開的供電線路，開機時， 市電通過HV 腳只對靠近IC 的第一個電容充電，I C 快速啟動后，二級管導通，兩個電容一起給IC 供電。電源正常模式開關頻率為65KHz，在具體設計中選定Rt=5.6K，Ct=1nF。

反激變換器要求輸入交流電壓為90V~264V能夠正常使用，最大輸入電壓時加在變換器上的整流直流電壓為：

此處MOSFET管承受的漏源間最大電壓， Vds_max=Uinmax+nVo.假設n是4.5,Vo是19V,則Vds_max=373+4.5*19=458.5（V）， 因為還有漏感產(chǎn)生的尖峰電壓存在，應留有一定裕量，取650V耐壓的 MOSFET.MOSFET管選用標準為：在滿足器件開關應力的前提下，驅動電路使輸出的驅動波形具有陡峭的上升沿和下降沿，設計中選定MOSFET型號為：SPA07N65C3（漏源級電壓650V, 漏極電流7A,導通電阻0.6Ω）。

由于變壓器的繞制工藝引起的漏感以及負載的電感性引起的開關電壓應力過大可能導致開關管的損壞，此處采用的是有瞬態(tài)電壓抑制器與二極管串聯(lián)構成的尖峰電壓吸收網(wǎng)絡，可有效防止功率MOSFET 管關斷過程中承受的反壓。D8 是型號P6 KE150A 的TVS（Transient Voltage Suppresser）， 鉗位電壓150V/耗散功率600W,D9 是BYV95C（1 A/1KV）具有軟恢復特性的二級管。開關管Vds 的最大鉗位電壓：Vds（clamp）=Vds_max+VD5=458.5+1 50=608.5（V）， 小于MOSFET 額定值650V.在此吸收網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的RCD 吸收網(wǎng)絡不同的是，在低壓輸入或輕載的情況下，開關管的Vds 電壓不足以使其動作，這樣減少了功率的損耗，提升了整機低壓輸入和輕載時的效率。

FAN6754A 具有開環(huán)保護（OLP）功能，在出現(xiàn)開環(huán)或輸出短路故障時可確保系統(tǒng)的安全性。輸入到SENSE6 腳的外部電阻值可轉為電壓值，與芯片內部構成電流內環(huán)控制。以電壓反饋環(huán)路的反饋電壓VFB 為參考值，一旦VFB 低于閾值電壓，開關頻率便會持續(xù)降低。目前大多數(shù)開關電源都采用離線式結構，一般從次級繞組回路中通過電阻分壓取樣，但由于反饋不能直接從輸出電壓取樣，沒有隔離故抗干擾能力差，不適合精度要求較高或負載變化范圍較寬的場合，這里采用可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431 配合光耦構成反饋回路。并聯(lián)穩(wěn)壓器T L431CLP 輸出電壓大約為2.5V,IF50mA,CTR>5 0%.TL431CLP 與光耦FOD817A 構成精密反饋回路，對Vo19V 做精細調整，組成精密開關電源，使電壓調整率和負調整率達到0.2%以下。PWM 占空比由FB 電壓和電流取樣來決定。取R21=0.15Ω， 當電流流過MOSFET 短路地時，F(xiàn)AN6754A 內部電流放大器使導通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使FAN6754A 停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使MOS 管截止，達到保護功率管的目的。當Vsense 小于大約0.46V 時，進入SENSE6 腳短路保護。如果反饋電壓（FB）有一定時間大于4.6V,PWM 脈沖即被禁用。

通過采用一個外部負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻來感測外部系統(tǒng)的溫度，可實現(xiàn)過熱保護（OTP）功能。NTC 熱敏電阻TR1 的阻抗隨溫度增加而下降， RT5 引腳上的電壓VRT 相應降低。如果VRT 小于1.035V,PWM 在12mS 后關斷。如果VRT 小于0. 7V,PWM 在100uS 后關斷。

輸出二極管RC 吸收網(wǎng)絡的設計可以遵循下面步驟：（1）測試不加RC 網(wǎng)絡時的二極管反向電壓諧振周期Tr;（2）選取一個陶瓷電容Cdsn 與二極管并聯(lián)，使其反壓的諧振周期為2*Tr;（3）根據(jù)下式計算吸收電阻Rdsn:Rdsn=3*Tr/（2π*Cdsn）。根據(jù)以上實際得到的R19,C21 數(shù)值分別為：47Ω 和1nF。

高頻變壓器承擔著儲能、變壓、傳遞能量等工作，其設計如下。

（1）功率選擇。

二次繞組為FAN6754A 的W2 工作供電和W3 輸出。W2 工作電壓為19V 和峰值電流約3.42A, 可得估算輸出功率約為65W.

（2）磁芯的選用。

本設計選用的開關頻率為65kHz,由功率-磁芯尺寸圖查得選用RM10 鐵氧體磁芯，其有效面積A e 為98mm²,飽和磁通密度在100℃為390mT.

（3）繞組匝數(shù)的確定。

原邊繞組開關管的最大開通時間對應在最低輸入電壓和最大負載時發(fā)生。在本設計中，最大占空比為：D=Ton/T=0.50,對應周期時長為：T=l/f=1 5us,則Ton=7.5us.

由此可得，變壓器原邊匝數(shù)為：

△B取0.2Tesla ,取Np=50 匝。根據(jù)反激式電路原邊與副邊電壓的關系：Vo= [（Ns/Np）*D/（1-D）]*Vp,計算W2 繞組（+1 9V）的匝數(shù)。設整流二極管壓降0.7V,繞組壓降0. 6V,則繞組輸出電壓值為：

同理，供電給FAN6754A VDD17V/1.5mA 也可獲得。

（4）變壓器原邊電感的計算校核

在開關管開通時，原邊的平均輸入電流為：I1 =Po/ηVs,式中變壓器的效率取η=85%,則有：

I1=65/（0.85*90√2 ）=0.60A

峰值電流是Ipeak=2*I1/Dm ax=2*0.60/0.50=2.4A.

設計變壓器原邊電流的變化量：△I=（2/3）*I peak=2.40*2/3=1.6A.

由電壓與電流變化量關系V=L（△I/△T），可得：

符合此處的工作要求。

在最低壓輸入和最大峰值電流是變壓器工作的最差情況，據(jù)此條件驗證變壓器是否飽和，由公式：Bmax=L*Ipeak/（Ae*Np）， 代入相關參數(shù)得Bma x=0.3T,小于0.39T 的飽和磁通密度，設計通過。

根據(jù)計算的電感量，加入適量的氣隙0.36mm, 保證變壓器原邊在開通時能儲存一定能量，并在關斷期間將這些能量傳遞到副邊，使變壓器可靠工作。

3 實驗結果及分析

依據(jù)上述分析，研制了一臺反激式開關電源， 并對系統(tǒng)的性能進行了測試。下表是在20AWG輸出線端測得的效率數(shù)據(jù)：

表1 電源性能測試結果

從表1可看出，在115Vac/50Hz輸入條件下，測得的FAN6754A變換器的平均效率為88.66%,在 230Vac/50Hz輸入條件下為 88.88%.這主要得益于FAN6754A的工作頻率可以隨負載變化的特性。在輸出空載時，樣機工作于間歇工作模式，測試264Vac輸入時，輸入功率為88mW.同時樣機電壓調整率、負載調整率均達到±2%內，輸出紋波不大于25 mV。

圖2 90V 時輸出

圖3 264V 時輸出

圖2,3 分別為90V 和264V 交流輸入時開關電源的輸出波形。CH1:Vds,CH2:Vgs,CH3:Ids.圖2 是MOSFET 滿載工作波形，顯示低壓90Vac 時電源工作于電流連續(xù)模式，高壓264Vac 時電源工作于電流不連續(xù)模式，同時各自的電壓和電流符合預期的設計。這里設計的開關電源次級共有2 路輸出， 分別為1 路+19V,1 路+17V,此處展示整個開關電源系統(tǒng)在經(jīng)過最初設計以及不斷調試之后，得到了寬電壓輸入范圍內穩(wěn)定平滑的直流電輸出。實驗結果完全滿足設計要求，穩(wěn)壓性能優(yōu)良，紋波小，負載調整率、電壓調整率以及輸出電壓準確度都較好，電源驅動能力滿足需求。

4 結論

本文以FAN6754A為核心開發(fā)了性能穩(wěn)定的單端反激式開關電源，介紹了外圍電路、緩沖電路和變壓器等的設計，實現(xiàn)了對輸出電壓的反饋調節(jié)及各種保護。實驗結果表明設計的采用FAN6754A的反激式開關電源能夠很好地滿足系統(tǒng)的要求，外圍元器件少，達到了預期要求，可應用工作在輸入電壓范圍較寬、負載變動較大下的場合。

[1].TL431datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TL431_651177.html.
[2].1N4007 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/1N4007+_1067871.html.
[3].SPA07N65C3datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SPA07N65C3_619864.html.
[4].TVSdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TVS_1174166.html.
[5].BYV95Cdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/BYV95C_188600.html.
[6].FOD817A datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/FOD817A+_331166.html.
[7].RM10 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RM10+_581174.html.