基于FairchildKA5M0365R的低成本开关电源适配器设计

基于FairchildKA5M0365R的低成本开关电源适配器设计摘要:采用开关电源(SMPS)方式制成的电源适配器能充分实现小型、轻量和高效率的性能特点。介绍一种采用飞兆半导体生产的KA5M0365R单片开关电源芯片的低成本、高性能AC-DC适配器的设计,着重介绍该适配器的方案考虑、电路结构与PCB设计等问题。关键词：开关电源;适配器;设计引言目前，国内大多数DVD生产厂家已把主产品从传统台式DVD转到了便携式DVD。因此需要大批能实现AC到DC转换的电源适配器，不仅在体积、重量、性能等方面有较高要求，同时在成本价格方面也有一定限制。采用开关电源(SMPS)方式制成的电源适配器能充分实现小型、轻量和高效率的性能特点，而采用飞兆半导体(Fairchild)生产的单片开关电源芯片KA5M0365R制成的24W开关电源适配器更是在成本价格方面具有明显的优势。为某企业开发的24W开关电源适配器的基本要求是：①形式：插墙型开关电源适配器；②输入：90～240VAC、50/60Hz；③输出:12VDC、2A；④有短路、过载保护；⑤通过UL认证；⑥外型：75mm×50mm×35mm。方案考虑常规SMPS系统均采用PWM控制IC和场效应管(FET)作为开关，现在大多采用单片IC。这些单片IC针对各种功率级别和应用进行了优化，一般分为双芯片式单片IC和单芯片式单片IC两类。双芯片式单片IC内部包括控制器芯片和MOSFET芯片，而单芯片式单片IC内部仅有一个芯片。设计时的一般考虑是：在高功率应用时选择双芯片方案，而在低功率应用时则选择单芯片方案,高低功率的分界点在15～20W左右。飞兆半导体生产的KA5M0365R是双芯片器件,其价格便宜，成为方案设计时的首选单片SMPS电路。掌上DVD用开关电源适配器要求有很高的保护功能，KA5M0365R同时具有过载保护、过压保护、过流保护、欠压保护和过热保护特性。KA5M0365R的主要功能与特点是:图1KA5M0365R内部框图图2KA5M0365R引脚排列图1脚-接地端(GND)2脚-漏极输出端(DRAIN)3脚-VCC端(VCC)4脚-反馈端(FB)①内部框图(见图1);②采用TO-220F-4L封装(见图2);③漏源反压650V；④25℃连续漏极直流电流额定值3A，100℃连续漏极直流电流额定值2.4A；⑤内置精密振荡工作频率67KHz；⑥低启动电流(典型值100μA)；⑦电流限制调整功能；⑧过流保护；⑨过压保护；⑩内置过热保护功能；⑾低电压闭锁；⑿内置高压SenseFET；⒀自动重启功能。电路结构图3适配器的电路构成图3给出了适配器的电路图。电路中采用KA5M0365R构成了连续电流模式(CCM)的反激式开关电源。接通电源后交流电压自线路输入端输入，经过一个用于抑制EMI的滤波器(C1、T1)、桥型整流器(D1～D4)和滤波电容器(C2)产生直流高压。R8是U1的启动电阻。在第一次接通电源时，U1以旁路模式工作，C8被充电，一旦达到电压锁定阈值15V范围的上限，U1就开始开关，其电流需求增加，VCC电压开始下降。但假定C8容量足够大，VCC电压仍会保持在电压锁定阈值范围的较低水平，在正常工作期间，反馈绕组提供的反馈电压经D6、C8整流后,产生直流电压开始为U1供电。漏极箝位保护电路(缓冲网络SnubberNetwork)由C3、R7、D5组成，可将漏极关断时由于变压器泄漏电感而在初级产生的尖峰电压限定在安全范围内，以确保不会造成开关漏极电压超过其击穿电压。次级电压经D7、C4、L1、C5整流滤波后获得+12V稳压输出。次级高频整流管D7采用大电流、低压降的肖特基二极管,型号是MBR10100CT(10A/100V)。可调式精密并联稳压器TL431构成外部误差放大器,它与光耦合器一起组成光耦反馈电路,反馈电压加至U1的反馈端。稳压原理是当输出电压V0发生波动时,经R5、R6分压后得到的取样电压与TL431的2.5V基准电压比较,产生外部误差电压,通过光耦合器使FB的反馈电流产生相应的变化,并以此调节占空比,达到稳压目的。R4、C6为控制环路的补偿电阻与电容,R2为光耦中LED的限流电阻。高频变压器的初、次级间耦合电容会造成共模干扰,可以通过安全电容C7加以滤除。电路参数设计电路参数设计可按下面步骤进行：①确定系统规格；②确定输入整流滤波电容和DC电压范围；③确定最大占空比；④确定输出电感器电流的纹波因数；⑤确定变压器的合适磁芯和初级匝数的最小圈数以防止磁芯饱和；⑥确定变压器每个绕组的匝数；⑦根据RMS电流值确定变压器每个绕组的导线直径；⑧确定输出电感器的合适磁芯与匝数；⑨根据输出额定电压与额定电流值确定次级整流二极管；⑩根据电压与电流纹波确定次级输出滤波电容；⑾设计RCD缓冲网络；⑿设计TL431反馈补偿网络。飞兆半导体公司为了简化设计师的工作并提高其工作效率，免费提供称为FPS设计助手(FairchildPowerSystemdesignassistant)软件设计工具。图3中的有关元器件参数即是根据在FPS设计助手中计算再经装机调整后确定的，两者基本一致。变压器设计开关电源中高频变压器性能的优劣不仅对电源效率有较大影响，而且直接关系到电源的其他技术指标和电磁兼容性。为此，一个高效率的高频变压器应符合直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容小等条件。本适配器的高频变压器参数在FPS设计助手中可轻松算出。依此数据绕制而成的高频变压器经上机测试后，有关参数可能要进行适当调整。变压器应采用夹层绕法(俗称三明治绕法)以减少漏感。PCB设计在连接U1、C2、高频变压器初级绕组的引线上有高频开关电流通过容易引起共模电磁干扰，因此上述引线应尽量短,以使印制板尺寸与环路面积最小。漏极箝位保护电路的C3、R7、D5与变压器初级绕组的引线要尽量短。接于高频变压器次级绕组的输出二极管和输出滤波电容器的回路面积应最小。此外在二极管阳极、阴极端的铜箔面积应足够大，以承受较大的电流与利于散热。光耦的引脚和源极脚走线应尽量短，可使噪声耦合最小。适配器PCB必须符合安规要求：①交流电源进线、保险丝之前两线最小安全距离不小于6mm，两线与机壳或机内接地最小安全距离不小于8mm；②保险丝后的走线要求：零、火线最小爬电距离不小于3mm；③高压区与低压区最小爬电距离不小于8mm、不足8mm或等于8mm的，须开2mm的安全槽；④高压区须有高压示警标识的丝印；高压区须用丝印框住，框条丝印须不小于3mm宽；⑤高压整流滤波正负之间最小安全距离不小于2mm。其它在适配器的设计过程中还必须很好的考虑并解决散热问题以及电磁兼容(EMC)问题。散热问题主要考虑发热元器件本身的散热及整个适配器内部工作热量产生的温升两方面的问题。抑制开关电源的噪声一般主要通过滤波、变压器的绕制与屏蔽这三种手段加以抑制。本适配器中为防止高频变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰，把一铜片环绕在变压器外部构成屏蔽带并接地。该屏蔽带相当于短路环，能对泄漏磁场起到抑制作用，有效地降低了输出纹波。结束语设计完成的适配器实测主要指标：①精度：±2%；②纹波：50mV；③效率：83%；④建立、上升、保持时间：100ms、80ms、30ms；⑤重量：200g。该型适配器现已通过有关安全性与EMC性能测试、投入批量生产。其性能优良、成本低廉,有较好的推广价值。