17W雙輸出反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)解析：用于LCD顯示器的高效電源方案

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源供應(yīng)是至關(guān)重要的一環(huán)。對(duì)于LCD顯示器而言，一個(gè)穩(wěn)定、高效的電源能夠確保其正常運(yùn)行和良好的顯示效果。今天，我們將深入探討一款由Power Integrations公司設(shè)計(jì)的17W雙輸出反激式轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用了LinkSwitch - HP系列的LNK6774V芯片，為L(zhǎng)CD顯示器提供了可靠的電源解決方案。

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一、設(shè)計(jì)概述

這款反激式轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)90VAC - 265VAC的寬輸入電壓范圍，輸出為5V/1A和18V/670mA。它具有多種優(yōu)秀特性，如±5%的穩(wěn)壓精度、132kHz的開(kāi)關(guān)頻率以減小變壓器和輸出濾波器的尺寸、全負(fù)載連續(xù)導(dǎo)通模式以提高效率和降低輸出電容紋波電流、多模式操作以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高效率等。同時(shí)，它還具備豐富的保護(hù)功能，如過(guò)壓保護(hù)（OVP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）、欠壓/過(guò)壓保護(hù)（brown - in/out）、線路過(guò)壓保護(hù)和失穩(wěn)保護(hù)（自動(dòng)重啟）等，并且滿足EN - 550022和CISPR - 22 Class B傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)以及IEC61000 - 4 - 5 1kV / 2kV浪涌標(biāo)準(zhǔn)。

二、電源規(guī)格

輸入?yún)?shù)

輸入電壓范圍為90 - 265VAC，頻率為47 - 64Hz（2線，無(wú)PE）。在230VAC、5V 0.01A、18V空載的待機(jī)狀態(tài)下，輸入功率小于100mW。

輸出參數(shù)

• 5V輸出：電壓范圍為4.75 - 5.25V，紋波電壓小于150mVpp（20MHz帶寬，穩(wěn)態(tài)負(fù)載），輸出電流為0 - 1500mA，電壓瞬變范圍為4.75 - 5.5V。
• 18V輸出：電壓范圍為16.2 - 26V，紋波電壓有相應(yīng)要求，輸出電流為0 - 670mA，電壓瞬變范圍為16.2 - 28V。
• 總輸出功率連續(xù)輸出功率為0.05 - 17.1W，滿載效率在90VAC和滿載時(shí)可達(dá)80%。

環(huán)境與安全要求

該電源設(shè)計(jì)滿足CISPR22B / EN55015B傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)，安全設(shè)計(jì)符合IEC950、UL1950 Class II標(biāo)準(zhǔn)。能承受1kV 1.2/50μs的差模浪涌和2kV的共模浪涌，靜電放電（ESD）空氣放電范圍為 - 15 - 15kV，接觸放電范圍為 - 6 - 6kV，環(huán)境溫度范圍為0 - 40°C（自由對(duì)流，海平面）。

三、電路設(shè)計(jì)

輸入整流與濾波

橋整流器BR1對(duì)交流輸入進(jìn)行整流，然后由電容C2進(jìn)行濾波。電感L1、電容C1和C2用于衰減差模和共模傳導(dǎo)EMI。在變壓器T1的構(gòu)造中采用了屏蔽技術(shù)（E - Shield?），以減少共模EMI位移電流。這種濾波安排、專有的E - Shield技術(shù)以及芯片的頻率抖動(dòng)功能，結(jié)合Y電容和初級(jí)側(cè)RCD鉗位電路，為該解決方案提供了出色的EMI性能。

LinkSwitch - HP初級(jí)

LNK6774V芯片（U1）集成了振蕩器、誤差放大器、多模式控制電路、啟動(dòng)和保護(hù)電路以及高壓功率MOSFET。電源變壓器的一側(cè)連接到高壓母線，另一側(cè)連接到U1的DRAIN引腳。在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，控制器打開(kāi)功率MOSFET，電流在初級(jí)繞組中上升，將能量存儲(chǔ)在變壓器的磁芯中。當(dāng)電流達(dá)到由內(nèi)部誤差放大器輸出（CP引腳電壓）設(shè)置的極限閾值時(shí)，控制器關(guān)閉功率MOSFET。由于變壓器繞組的相位和輸出二極管的方向，存儲(chǔ)的能量會(huì)在次級(jí)繞組上感應(yīng)出電壓，使輸出二極管正向偏置，從而將存儲(chǔ)的能量傳遞到輸出電容。連接到BP引腳的電容C5（4.7μF）設(shè)置了過(guò)壓保護(hù)（OVP）、失穩(wěn)保護(hù)（自動(dòng)重啟）和過(guò)溫保護(hù)（OTP），在給定的關(guān)斷時(shí)間（典型值為1500ms）后自動(dòng)重啟嘗試。

初級(jí)RCD鉗位

由二極管D1、VR1、C3、R1、R2、R3和R4組成的RCD緩沖器用于限制LinkSwitch - HP上的電壓應(yīng)力。在265VAC時(shí)，峰值漏極電壓通常限制在小于580V，為725V的漏極電壓（BVDSS）提供了顯著的余量。齊納二極管VR1可防止電容C3在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期完全放電，以降低待機(jī)操作期間的功耗。

輸出整流

18V輸出的整流由二極管D3完成，濾波由電容C11和C12提供。由R10和C10組成的緩沖器提供高頻濾波，以改善EMI。5V輸出的整流由二極管D4完成，濾波由電容C13和C14以及電感L2提供。由R12和C15組成的緩沖器同樣用于高頻濾波，以改善EMI。

外部電流限制設(shè)置

通過(guò)連接到PD引腳的電阻R6設(shè)置最大逐周期電流限制。在本設(shè)計(jì)中，23.2kΩ的電阻將最大電流限制設(shè)置為L(zhǎng)NK6774V默認(rèn)電流限制的60%。

反饋與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

在反激期間，通過(guò)偏置繞組和電阻分壓器（R8和R9）感測(cè)輸出電壓。將感測(cè)到的輸出電壓與FB引腳閾值進(jìn)行比較，以調(diào)節(jié)輸出或在檢測(cè)到過(guò)壓條件（OVP）時(shí)停止開(kāi)關(guān)。這種初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)解決方案不僅降低了系統(tǒng)成本，還提高了系統(tǒng)的使用壽命，因?yàn)槭褂肔inkSwitch - HP設(shè)計(jì)的電源不需要光耦合器（光耦合器會(huì)顯著降低電源的壽命）。電壓分壓器R8和R9還用于在集成功率MOSFET導(dǎo)通期間間接監(jiān)測(cè)母線電壓。在啟動(dòng)時(shí)，只有當(dāng)母線電壓通常達(dá)到100V（欠壓閾值）時(shí)，芯片才會(huì)啟用開(kāi)關(guān)。如果母線電壓下降（例如在欠壓情況下低于40V），設(shè)備將停止開(kāi)關(guān)（欠壓保護(hù)）。如果母線電壓達(dá)到過(guò)高水平（例如由線路浪涌引起），設(shè)備也會(huì)停止開(kāi)關(guān)。此外，逐周期電流限制會(huì)在整個(gè)線路上進(jìn)行補(bǔ)償，以限制可用的過(guò)載功率。FB引腳感測(cè)到的電壓在CP引腳產(chǎn)生控制電壓，電阻R7和電容C7、C8用于控制環(huán)路補(bǔ)償。CP引腳電壓決定了工作峰值初級(jí)電流和工作開(kāi)關(guān)頻率。

四、PCB布局

合理的PCB布局對(duì)于電源的性能至關(guān)重要。在該設(shè)計(jì)中，輸入整流和濾波部分、變壓器、輸出整流部分等都有合理的布局安排，以減少干擾和提高效率。例如，輸入濾波電容和電感的位置應(yīng)靠近輸入端口，以有效衰減EMI；變壓器的布局應(yīng)考慮到其與其他元件的距離和耦合，避免產(chǎn)生不必要的干擾。

五、變壓器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參數(shù)

變壓器的設(shè)計(jì)是該電源的關(guān)鍵部分。其輸入?yún)?shù)包括最小交流輸入電壓90V、最大交流輸入電壓265V、交流電源頻率50Hz等。輸出參數(shù)包括輸出電壓5V、輸出功率17W等。變壓器的核心參數(shù)如有效截面積AE為0.518cm2，有效路徑長(zhǎng)度LE為5.78cm，無(wú)間隙有效電感AL為2000nH/T2等。

繞組設(shè)計(jì)

變壓器有多個(gè)繞組，包括初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和偏置繞組。初級(jí)繞組有60匝，次級(jí)繞組根據(jù)不同的輸出有不同的匝數(shù)，如5V輸出繞組匝數(shù)為2.92（實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)取合適的整數(shù)值），18V輸出繞組匝數(shù)為10.09。繞組的線徑和材質(zhì)也有相應(yīng)的要求，以滿足電流承載能力和絕緣要求。

電氣規(guī)格

變壓器的電氣規(guī)格包括電氣強(qiáng)度（3000VAC，1秒，60Hz，從引腳1 - 6和引腳7 - 12）、初級(jí)電感（1436μH ±7%，引腳5 - 6，其他繞組開(kāi)路，在100kHz、0.4VRMS下測(cè)量）、諧振頻率（1500kHz（最小），引腳5 - 6，其他繞組開(kāi)路）和初級(jí)漏電感（15μH（最大），引腳5 - 6，引腳7 - 12短路，在100kHz、0.4VRMS下測(cè)量）。

材料與構(gòu)造

變壓器的材料包括EF25磁芯（TDK PC44 - EF25Z，帶間隙ALG 398.9nH/T2）、EF25臥式12引腳骨架（Ying Chin，P/N: YC - 2504）、不同規(guī)格的漆包線（如#32AWG、#27AWG、#28AWG）、特氟龍管、各種膠帶（如3M 44邊緣膠帶、3M 1298聚酯薄膜膠帶）和清漆（Dolph BC - 359）。其構(gòu)造過(guò)程包括繞組準(zhǔn)備、各繞組的繞制、絕緣處理和最終組裝等步驟，每個(gè)步驟都有嚴(yán)格的要求，以確保變壓器的性能和可靠性。

六、性能測(cè)試

效率測(cè)試

在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下對(duì)電源的效率進(jìn)行了測(cè)試。在室溫下，測(cè)量了有源模式效率和待機(jī)效率。有源模式效率隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，在不同的輸入電壓下，滿載效率都能達(dá)到較高水平。待機(jī)效率在不同輸入電壓下也有相應(yīng)的表現(xiàn)，輸入功率在待機(jī)狀態(tài)下較低，滿足設(shè)計(jì)要求。

電壓調(diào)節(jié)測(cè)試

測(cè)試了在不同輸入電壓下，5V和18V輸出的電壓調(diào)節(jié)情況。結(jié)果顯示，在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下，輸出電壓都能保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，具有良好的電壓調(diào)節(jié)性能。

動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試

對(duì)電源在動(dòng)態(tài)負(fù)載下的輸出電壓進(jìn)行了測(cè)試，包括5V和18V輸出在不同負(fù)載變化情況下的電壓響應(yīng)。測(cè)試結(jié)果表明，電源能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，輸出電壓的波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。

紋波和噪聲測(cè)試

采用特定的測(cè)試方法對(duì)輸出紋波和噪聲進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)對(duì)18V和5V輸出在不同輸入電壓和負(fù)載條件下的紋波測(cè)試，結(jié)果顯示紋波電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

保護(hù)功能測(cè)試

對(duì)電源的各種保護(hù)功能進(jìn)行了測(cè)試，包括短路自動(dòng)重啟、輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓/過(guò)壓保護(hù)、線路浪涌保護(hù)和ESD保護(hù)等。測(cè)試結(jié)果表明，電源在遇到各種異常情況時(shí)能夠及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

七、總結(jié)

這款17W雙輸出反激式轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)CD顯示器提供了一個(gè)高效、穩(wěn)定且可靠的電源解決方案。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)、優(yōu)化的變壓器設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的性能測(cè)試，該電源能夠滿足LCD顯示器在不同工作條件下的電源需求。同時(shí)，其豐富的保護(hù)功能和良好的EMI性能也提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，以更好地滿足不同產(chǎn)品的要求。

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