EVLVIP17 - 5WCHG：基于VIPER17HN的5W低待機(jī)功耗電池充電器演示板

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，電池充電器作為重要的電源設(shè)備，其性能和效率備受關(guān)注。今天我們就來深入探討一下EVLVIP17 - 5WCHG演示板，這是一款基于VIPER17HN的5W開關(guān)電源（SMPS），可作為手機(jī)、PDA和電子游戲等設(shè)備的旅行電池充電器。

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主要特性與電路描述

基本參數(shù)

• 輸入電源范圍：90 - 264 VRMS，頻率范圍45 - 66 Hz。
• 輸出參數(shù)：5.1 (V_{DC} pm 2 %) ，1 A ± 5%，具備電纜壓降補(bǔ)償（0.2 V/A）。
• 空載功耗：在高市電輸入時(shí)，輸入功率低于100 mW。
• 短路保護(hù)：具備自動(dòng)重啟功能，短路移除后可自動(dòng)恢復(fù)正常工作。
• PCB類型與尺寸：CEM - 1，單面35 μm，尺寸為53 x 26 mm。
• 安全性：符合EN60065標(biāo)準(zhǔn)。
• 電磁干擾（EMI）：符合EN55022 - 類B標(biāo)準(zhǔn)。

電路拓?fù)渑c關(guān)鍵元件

• 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用反激式拓?fù)?，非常適合低功率、低成本的隔離式轉(zhuǎn)換器。
• 初級(jí)側(cè)：使用VIPER17HN，它是VIPer + 系列的一員，具有多種附加功能和保護(hù)特性。該芯片采用多芯片設(shè)計(jì)，集成了先進(jìn)的電流模式PWM控制器和耐壓800 V的雪崩耐用型功率MOSFET，封裝為小型DIP - 7。轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入電壓和輸出負(fù)載，可在連續(xù)和不連續(xù)傳導(dǎo)模式下工作?？刂破骱缶Y“ H”表示開關(guān)頻率內(nèi)部固定為115 kHz，有助于減少功率元件的使用。
• 輸入部分：包括用于限制浪涌電流和故障保護(hù)的保險(xiǎn)絲電阻、整流橋、兩個(gè)電解大容量電容器和一個(gè)電感器，作為前端AC - DC轉(zhuǎn)換器和EMC濾波器。
• 變壓器：采用層式結(jié)構(gòu)，使用標(biāo)準(zhǔn)EF12.6鐵氧體磁芯，設(shè)計(jì)反射電壓約為75 V。其獨(dú)特的繞組技術(shù)消除了初級(jí)和次級(jí)側(cè)之間常用的Y1安全電容。
• 啟動(dòng)電路：由VIPER17HN的內(nèi)部高壓啟動(dòng)發(fā)生器管理，典型啟動(dòng)電流為3 mA，保護(hù)介入時(shí)電流降至0.6 mA，以增加重啟嘗試周期，減少永久性故障時(shí)功率元件的應(yīng)力。
• 電源供應(yīng)：VIPER17HN的電源由變壓器的自供電繞組提供，該繞組采用反激式配置。由于特定變壓器的高漏電感，自供電電壓會(huì)隨初級(jí)峰值電流增加而增加，但VIPER17HN寬范圍的 (V_{DD}) 電壓（8.5 V - 23 V）確保了正確的電源供應(yīng)。
• 電流限制：通過連接到CONT引腳的電阻R16，將內(nèi)部MOSFET電流限制從標(biāo)稱值0.4 A降低到約280 mA，允許使用小型變壓器（EF12.6用于5W輸出）而無飽和風(fēng)險(xiǎn)。
• 掉電功能：為節(jié)省功率，特別是空載功耗，未安裝掉電分壓器，該功能被禁用。
• 內(nèi)置特性：VIPER17HN具有頻率抖動(dòng)功能以降低EMI問題、軟啟動(dòng)功能以及輕載和空載時(shí)的突發(fā)模式操作，還內(nèi)置過流、過載和過溫保護(hù)，確保電路板的安全運(yùn)行。
• 次級(jí)側(cè)：使用TSM1052恒壓恒流（CV/CC）控制器，與光耦合器的光電二極管直接由輸出電壓供電。TSM1052寬范圍的電源電壓（最小1.7 V）允許在輸出電壓低至1.5 V - 1.6 V時(shí)仍能進(jìn)行精確的恒流調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出電壓低于此限制時(shí)，電路失去調(diào)節(jié)，觸發(fā)OLP保護(hù)，系統(tǒng)進(jìn)入打嗝模式。若需要在零輸出電壓水平進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，可通過將TSM1052和光電二極管由輸出電壓與TR1C繞組正向整流電壓之和供電來實(shí)現(xiàn)。
• 電纜壓降補(bǔ)償：通過添加電阻R7實(shí)現(xiàn)電纜壓降補(bǔ)償。輸出電流越大，PCB輸出端子上測(cè)量的輸出電壓越高，從而補(bǔ)償連接設(shè)備與負(fù)載的電纜上的電壓降，確保負(fù)載端電壓基本恒定。具體來說，由于R7等于R9，輸出電壓每增加1 mA輸出電流增加0.2 mV，該值基于此類應(yīng)用的典型電纜電阻（通常約0.2 - 0.3 Ω）選擇。

工作波形

滿載工作波形

在滿載（5W）正常工作時(shí)，不同市電輸入下轉(zhuǎn)換器工作模式不同。在低市電（115 (V{RMS}) ）時(shí)，轉(zhuǎn)換器以連續(xù)傳導(dǎo)模式工作；在230 (V{RMS}) 時(shí)，以不連續(xù)傳導(dǎo)模式工作。這種設(shè)計(jì)充分利用了兩種工作模式的優(yōu)勢(shì)。波形圖中還展示了為設(shè)備供電的 (V_{DD}) 電壓和反饋引腳電壓。

空載波形

空載時(shí)，電路以突發(fā)模式工作。得益于VIPER17HN的高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器、低電流消耗、空載時(shí)的低 (V_{DD}) 電壓以及TSM1052的低功耗，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)輸入功率小于100 mW。此時(shí)突發(fā)頻率約為1 kHz，由于峰值電流極低，電路板不會(huì)產(chǎn)生聲學(xué)噪聲。

短路操作

輸出短路時(shí)，由于過載保護(hù)（OLP）激活，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入打嗝模式。在115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 輸入下，工作情況相似，因?yàn)?(V{DD}) 電容器的充電/放電時(shí)間和FB引腳行為與大容量電容器電壓無關(guān)。短路發(fā)生時(shí)，F(xiàn)B引腳飽和高電平，約8 ms后連接到該引腳的電容器充電至4.8 V（典型值），觸發(fā)OVL保護(hù)。當(dāng) (V{DD}) 電容器放電至4.5 V（典型值）時(shí)，高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器以降低的電流（典型值0.6 mA）開啟，達(dá)到 (V{DD}) 開啟閾值時(shí)，IC開啟，循環(huán)重復(fù)。短路移除后，恢復(fù)正常工作（自動(dòng)重啟）。即使在230 (V{AC}) 輸入下，電路行為不變，短路條件下的工作時(shí)間相對(duì)于關(guān)斷時(shí)間極短，這限制了功率元件的耗散，確保了電路的可靠運(yùn)行，且此時(shí)漏極電壓峰值遠(yuǎn)低于VIPER17HN該引腳的最大額定值。

電氣性能

效率和空載測(cè)量

在115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 兩種標(biāo)稱電壓下，分別測(cè)量了不同負(fù)載百分比下的效率。該適配器符合EPA 2.0低電壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)（ (V{OUT }<6) (I{OUT }>0.55 ~A) ），5W SMPS的最低要求效率為68.2%（按25%、50%、75%和100%額定負(fù)載效率的平均值計(jì)算）?？蛰d輸入功率測(cè)量結(jié)果顯示，空載功耗始終低于100 mW，滿足全球最嚴(yán)格的效率和空載功耗標(biāo)準(zhǔn)（如歐洲行為準(zhǔn)則，自2011年1月1日起，移動(dòng)手持電池驅(qū)動(dòng)應(yīng)用適配器空載功耗 < 150 mW）?？蛰d時(shí)輸出電壓調(diào)節(jié)良好，輸出電壓始終在規(guī)格范圍內(nèi)，空載運(yùn)行或負(fù)載瞬變時(shí)無輸出電壓下降、異常關(guān)斷和重啟循環(huán)。

V - I輸出特性和電纜壓降補(bǔ)償

在115 (V{AC}) 市電輸入電壓下，測(cè)量了PCB輸出焊盤和輸出電纜末端的V - I輸出特性，230 (V{AC}) 時(shí)數(shù)值變化不顯著。由于TSM1052的高性能，在恒流區(qū)域，輸出電壓可降至1.5 V（輸出電纜末端為1.3 V），同時(shí)完美調(diào)節(jié)輸出電流。進(jìn)一步降低輸出負(fù)載阻抗（如短路情況）會(huì)導(dǎo)致輸出電壓進(jìn)一步下降，不足以給TSM1052供電，從而使電路進(jìn)入打嗝工作模式，平均輸出電流極低。該電路通過輸出電壓為TSM1052供電，由于該器件的低 (V_{CC}) ，即使輸出電壓非常小也能調(diào)節(jié)輸出電流。通過簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)了輸出電纜電壓降補(bǔ)償，有電纜壓降補(bǔ)償（CDC）時(shí)輸出電壓幾乎恒定，無CDC時(shí)最大負(fù)載下輸出電壓降至4.87 V（約 - 3.9%）。不同輸入市電電壓下測(cè)量偏差可忽略不計(jì)（幾毫伏）。

傳導(dǎo)噪聲測(cè)量（預(yù)合規(guī)測(cè)試）

在最大標(biāo)稱電壓（230 (V{AC}) ）下進(jìn)行了傳導(dǎo)發(fā)射預(yù)合規(guī)測(cè)量，采用準(zhǔn)峰值和平均值檢測(cè)。僅報(bào)告了最差線的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果顯示相對(duì)于EN55022 CLASS - B規(guī)格的限值有良好的余量。VIPER17HN的頻率抖動(dòng)功能使開關(guān)頻率諧波頻譜分散，降低了峰值，在平均值測(cè)量中尤為明顯，相對(duì)于限值有顯著余量。在115 (V{AC}) 滿載時(shí)的傳導(dǎo)發(fā)射平均值測(cè)量中，測(cè)量噪聲也遠(yuǎn)低于EN55022 Class - B限值。

熱測(cè)量

使用紅外相機(jī)對(duì)電路板進(jìn)行熱分析，分別給出了115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 市電輸入、滿載（ (P{OUT }=5 ~W) ）、環(huán)境溫度 (T{A}=26^{circ} C) 、發(fā)射率為0.95時(shí)的熱圖像。還列出了關(guān)鍵元件在不同市電輸入下的溫度，如輸出二極管D4、鉗位電阻R1、PCB熱點(diǎn)、輸出電流檢測(cè)電阻R11、VIPER17HN芯片IC2和變壓器TR1等。

物料清單

詳細(xì)列出了EVLVIP17 - 5WCHG演示板的物料清單，包括各個(gè)元件的參考編號(hào)、描述、封裝和制造商等信息，為工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了清晰的指導(dǎo)。

PCB布局

提供了THT元件布局（頂面）和SMT元件布局（底面）及銅軌的相關(guān)圖形，合理的PCB布局對(duì)于電路的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要，工程師可以參考這些布局圖進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)。

綜上所述，EVLVIP17 - 5WCHG演示板在性能、效率、安全性和電磁兼容性等方面表現(xiàn)出色，為電池充電器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的范例。各位工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不妨借鑒其設(shè)計(jì)思路和方法，結(jié)合具體需求進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。你在設(shè)計(jì)類似充電器時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。