六级能效SOP7内置MOS的5V1.5A充电器方案

        1.引言
随着充电器六级能效标准的实施临近，其方案需求日益迫切，很多充电器工程师反映QR架构方案虽然效率余量更大，但对比PSR方案的元件更多，调试生产更复杂。故芯朋微电子在提供QR架构PN836X产品方案之外，基于PN8358开发了一款更高性价比的六级能效7.5W充电器方案，比QR架构更简洁更经济，提供给国内成本压力大的充电器厂商一个六级能效新选择。
基于PN8358的 5V 1.5A六级能效PSR电源解决方案，典型应用为智能手机、平板电脑的5V1.5A充电器，机顶盒、DVD的7.5W适配器。与芯朋经典产品PN8355、PN8356、PN8359、PN8360属于同一控制平台，该系列产品可提供5～15W完整的充电器5级/6级解决方案。
PN8358有如下特点：
● 待机功耗小于75mW：内置专利高压启动模块，节省高压启动电阻，
● 效率满足DOE Level 6：智能多重工作模式显著提高平均效率，
● CV、CC精度5%以内：内置输入电压、DC输出线补偿，任何工况下均可满足
● 体积紧凑：集成4.5ohm 650V 智能功率MOS，PSR省光耦/TL431，SOP7封装
● 保护功能丰富：含过温保护、VDD欠过压保护、FB开短路保护、CS开短路保护，电压和温升de-rating裕量充足，提高系统可靠性
2.系统设计要点
系统的典型应用如图1所示，设计要点罗列如下：


图1 PN8358 系统典型应用

2.1 变压器饱和设计



其中Lp为变压器原边电感感量、Np为变压器原边圈数、Ae为变压器窗口面积、CS脚内部基准电压为0.5V，Bmax建议控制在0.32T以内。
2.2 变压器匝比n约束设计
PN8358采用带前馈补偿的开环恒流法：去磁占空比近似为0.5。理论上，恒流可由下式表达：



工程设计时，需考虑变压器耦合因子及采样误差的影响，在(2)式中需加入修正因子。由其恒流原理可知，系统设计必须满足下式约束：



其中Vr为输出电压到变压器原边的折射电压、VF为输出二极管正向压降、Vdc,min为输入电容电压最小值。若(3)式不满足，输出CC、CV精度下降。

2.3 芯片供电回路设计
PN8358通过脉冲采样变压器供电绕组信号，闭环控制调节输出电压：



芯片FB脚内部电压基准为2V，k为上下偏取样电阻的比例，n1为变压器供电绕组与次级绕组的匝比，其耦合情况影响CV精度及系统抗干扰能力。变压器结构选择及n1设计的准则是确保在空载不触发VDD UVLO、满载不触发VDD OVP。


       
2.4 PCB布线
为改善EMC性能，提高系统抗surge、ESD能力，PCB布线的三个重要原则：功率回路最短、功率回路与信号回路物理空间上分开、VDD电容贴近芯片供电脚。
3.性能评估


图2 5V1.5A Demo外观(33mm*53mm)

5V1.5A Demo外观如图2所示，关键性能测试结果如下：
3.1 待机功耗


备注：115/230Vac待机功耗小于75mW限制。

3.2 平均效率


备注：115/230Vac效率满足76.65%限制，效率测试为PCB板端USB口（不带线充电器）。

3.3 系统温升


备注：测试在40度密闭环境下进行。

3.4 系统ESD


备注：测试条件是230Vac输入电压、满负载、输入为2Pin电源线、输出线1.5m的24 AWG。

3.5 传导&辐射
         


备注：测试条件是230Vac输入电压、满负载、输入为2Pin电源线、输出线1.5m的24 AWG。

4.小结
小型化、低待机功耗、高转换效率是电子产品的发展趋势，传统DIP8集成转换器或控制器外推功率管分立电源方案面临更严峻的挑战。针对5V1.5A的典型应用，芯朋微推出了高性价比的SOP7 集成转换器方案，不仅系统成本、体积可显著降低，亦能满足严苛的安规及六级能效标准。