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高能效、小外形的240W电源适配器参考设计

作者: 时间:2023-09-18 来源:onsemi 收藏

的发展趋势是高频高密度及小型化,为了满足散热的要求,高效率是最重要的指标之一,所以对于数百瓦的电源方案,图腾柱PFC及LLC架构是目前最好的选择。安森美()最新推出的240 W图腾柱PFC配合最新的电流模式LLC控制器所做的48V5A参考设计(图1),在230Vac和48V输出条件下,四点平均能效达到94.76%,在230Vac和48V5A时,效率高达96.5%, 待机功耗在300mW以下,且PCBA尺寸仅89mm x 53mm x 21 mm,功率密度为39.7W/立方英寸,并且采用低成本的双层PCB设计,是下一代PD3.1 EPR多口快充、工业通信电源、电动工具快充等的理想选择方案。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202309/450631.htm


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图1:240W图腾柱PFC配合高频LLC控制器的超高密度参考设计方案

该方案的PFC使用NCP1680 CRM模式,具有谷底同步频率反走的图腾柱PFC控制器,配合2只65mohm的SJ FET和2只50mohm的drive GaN,组成高效的PFC电路(图2),在90Vac和满载情况下PFC的效率高达97%, 在后级轻载模式下PFC自动进入间歇工作模式以降低开关损耗。


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图2:240W图腾柱PFC电路原理图

PWM部分使用安森美的NCP13994高频电流模式LLC 控制器及2只75mohm的drive GaN组成。同步整流控制器使用两只NCP4306独立控制每一路输出,使得layout非常简单合理,输出整流采用120V,4mohm的SJ FET FDMS4D0N12C(图3)。

提高工作频率可缩小电源尺寸,该LLC设计的谐振频率在200KHz左右,在PFC输出为390V、输出满载的情况下,LLC实际工作频率达~175 KHz。为了提高LLC轻载的效率,LLC被设计在标准skip模式下工作,并且skip in和skip out的负载点可以通过两个外部电阻任意设定。LLC的brown out功能是通过PFC OK端子产生的对应于PFC输出的电流源产生的电压,再通过VBULK脚的外部分压电阻来任意设定,由于PFCOK的最高输出电压只有5V,所以这个外部的分压电阻产生的损耗可以或略不计。

PFC和LLC的启动电压都是通过LLC的高压恒流源来提供,由于PFC的启动电压低(10V左右),所以当LLC的高压恒流源给VCC电容充电到PFC的Vcc_on电压后PFC开始工作,PFC的输出电压开始上升,同时LLC的高压恒流源继续给Vcc电容充电, 在到达LLC的Vcc_on电压以前PFC的输出电压达到正常值,PFCOK信号正常,VBULK电压达到1V门限电压以上,这时VCC电压升到Vcc_on的开启电压后LLC开始工作, 整个启动工作完成进入正常操作状态。

变压器初次级各有一个独立的绕组经全波整流后给初级及次级供电。由于次级同步整流IC的VCC电压及参考基准NCP431的电压限制,为了降低不必要的损耗加上了次级的辅助供电绕组。


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图3:LLC部分DC-DC原理图

能效测试

该方案在全电压范围段的输入功率小于300mW, 待机功耗,48V下PF曲线及满载能效曲线如下图4。PFC的输入电压电流波形及LLC的轻载SKIP波形如图5和图6。


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图4:待机功耗和能效曲线


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图5:TPPFC的操作波形


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图6:LLC的SKIP波形

安全保护功能

该高频高密度电源方案集成丰富的安全和保护功能,包括:过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、短路保护(SCP)、过温保护、开环保护、X2电容放电等。OVP和OTP保护可以通过LLC fault脚外部的稳压管及NTC来设定。OCP及SCP可以通过LLC的CS脚的电流取样电路来设定,开环保护通过FB的最大电压检测来实现。

热性能测试

由于非常高的效率,该方案在没有加任何导热材料及主动散热的情况下,靠自然散热得到下列的热成像图(图7),该热成像图是在满载工作30分钟后测得。


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图7:240W超高密度参考设计热成像



关键词: onsemi 电源适配器

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