用ｉＷ２２０２設(shè)計筆記本電腦適配器電源

摘要：給出基于iW2202的筆記本電腦適配器電源設(shè)計。

關(guān)鍵詞：APFC；電源；iW2202；控制IC

引言

APFC(有源功率因數(shù)校正)不像無源PFC那樣需要笨重的鐵心電感等無源器件，能夠保證在復雜條件下滿足目前對開關(guān)電源在輸入諧波方面的相關(guān)規(guī)范的要求，而單級APFC電路因為DC/DC變換器共用功率開關(guān)等元件，所用元件比兩紉：APFC要少得多，具有低成本優(yōu)勢，同時也有利于提高開關(guān)電源的功率密度。

iWatt公司則將數(shù)字控制技術(shù)用于開關(guān)電源控制IC內(nèi)部的控制環(huán)節(jié)，實用化的產(chǎn)品如iW1689和iW2202，iW1689是數(shù)字PWM(脈寬調(diào)制)集成電路，主要針對小功率應(yīng)用，iW2202集成了單級APFC管理功能，主要針對50～200W的中功率應(yīng)用。

iW2202

iW2202采用反激式拓撲，主要依托CDCM(臨界非連續(xù)電流模式)和DCM(非連續(xù)電流模式)方式實現(xiàn)APFC功能，用它構(gòu)成的開關(guān)電源，具有電路簡單、成本低廉的特點。iW2202主要功能特點如下：

·單級APFC電路，輸入諧波失真小于5％；

·效率能夠超過90％；

·原邊控制方式。在反激式拓撲非連續(xù)電流模式的變換器中，副邊輸出電壓和電流信息可以比較容易地從原邊繞組或者一個輔助繞組獲得，從而實現(xiàn)原邊控制而不需要通過光耦從副邊獲得電流/電壓信息；·無需外部環(huán)路補償。集成的DEA(數(shù)字

誤差放大器)能夠提供小于45。的相位裕量和優(yōu)于-20dB的增益裕量，因此無需任何外部補償環(huán)路。iW2202中的數(shù)字控制技術(shù)主要應(yīng)用于此；

·輸出端電壓線路損耗主動補償，不需要對負載端的遠程檢測；

·抗過渡效應(yīng)；

·CDCM使EMI最小化并提高系統(tǒng)效率，最終產(chǎn)品能兼容“藍色天使”和“能源之星”節(jié)能標準；

·主動式啟動電路；

·啟動電流典型值：20uA；

·±1A柵極峰值驅(qū)動電流；

·逐周期短路保護。

筆記本電腦適配器電源設(shè)計

圖1是采用iW2202設(shè)計的筆記本電腦適配器電源。

輸入與整流電路

BR1是主電源的整流橋，BR2是線電壓檢測、啟動電路的供電整流橋，iW2202的5引腳、6引腳線電壓檢測端推薦使用單獨的整流濾波電路，以避免主回路負載變化引起的線電壓波動影響內(nèi)部控制電路的誤動作。

輸入端是一級的EMI電路，壓敏電阻VRI構(gòu)成過電壓保護電路，可以吸收瞬時高壓尖峰，非瞬時高壓保護需要保險絲F1的配合，VRI導通的大電流導致F1熔斷使電路斷開。

主動式啟動電路

由Q102為核心的電路構(gòu)成主動式啟動電路，簡化的電路如圖2所示，右側(cè)是控制脈沖時序圖。

主動式啟動電路的功能

·啟動控制。Vg電壓來自圖1中BR2整流橋，上電期間，iW2202的ASU引腳電位處于浮動狀態(tài)，電容C10通過R(相當于R20+R21)充電直至到達Q102的開啟電壓，Q102導通，C4通過R22開始充電直至達到iW2202的啟動閾值電壓，iW2202開始工作，ASU引腳變成低電位，Q102關(guān)斷。iW2202需要從C4吸納20mA電流直至主開關(guān)Q050開始工作，一旦Q050開始工作，輔助繞組(T1的5～6)開始供電，通過圖中的Q103組成的串連穩(wěn)壓電路給iW2202供電，啟動過程完成。如果iW2202的1引腳電壓VCC跌落至欠壓保護電壓閾值，iW2202關(guān)閉進入保護狀態(tài)，ASU端子電位進入浮動狀態(tài)，等待下一次啟動的開始。

·如果因為負載過輕或者過重使電壓檢測端(iW2202的2引腳)的電壓高于1.98V或者低于1.62V，為了保持功率因數(shù)和THD不劣化，電路將處于間歇工作模式，過重負載相當于打嗝保護，這就是iW2202的“抗過渡效應(yīng)”特性。在間歇工作模式期間，ASU端電位也處于浮動狀態(tài)，iW2202通過R22從Vg獲取7mA的電流。

過熱保護和由原邊實現(xiàn)的過壓保護功能

利用iW2202的SD引腳的關(guān)斷控制功能，搭配外部檢測電路可以完成過熱保護，具體電路由圖1中的Q7及其外圍電路組成，溫度檢測元件是負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT100，正常工作狀態(tài)下，RT100處于高阻狀態(tài)，Q7關(guān)斷，來自11引腳的3.3V基準電壓無法通過Q7加到iW2202的SD引腳，隨著溫度升高，RT100阻值逐漸減小，當達到設(shè)計閾值時，Q7基極電位因為RTl00的阻值減小而變低，Q7導通，3.3V電壓加到SD引腳，iW2202關(guān)斷。

通過R4、R14，RD端子同時獲得來自輔助繞組的過壓保護信號，正常情況下，通過R34的分壓作用，SD端子獲得的電壓小于1.5V，如果超過這個設(shè)定值，iW2202也將被關(guān)閉。

短路保護

.短路保護功能由iW2202的2引腳VSENSE完成控制功能。

·在啟動期間，如果在第一個驅(qū)動脈沖輸出期間，2引腳電位小于0.5V并且時間長達60ms，iW2202將判定電路有短路故障并停止工作，但不鎖定，等待下一次啟動。

·正常工作期間，如果iW2202的2引腳檢測到連續(xù)兩個23us以上的脈沖，iW2202也將判定電路存在短路故障并停止工作，但不鎖定，等待短路故障排除。

線電壓檢測.iW2202的不同工作模式及其APFC的實現(xiàn)

根據(jù)不同的負載情況，在交流電周期的不同時刻，iW2202可以靈活的控制功率開關(guān)方式以實現(xiàn)高效率，這些控制iW2202主要通過線電壓引腳：5引腳(VINDC)和6引腳(VINAC)實現(xiàn)。

·正常負載條件

正常負載條件下，一個交流電周期內(nèi)以下兩個工作模式輪流工作：CDCM模式和DCM模式。CDCM模式下，圖1中的Q1的導通時間和關(guān)斷時間都是隨著交流電的周期變化而變化，Q1在其漏級電壓處于最低點的時刻開啟，這技術(shù)為“valley mode”(谷值模式)，系統(tǒng)有最高的效率。DCM模式下，Q1的開啟時間和關(guān)斷時間都是固定的，valley mode只在某個特定的時刻實現(xiàn)，Q1在開關(guān)變壓器繞組復位后即開啟，與CDCM模式相比，系統(tǒng)的效率有所降低。CDCM與DCM在一個交流電周期內(nèi)持續(xù)的時間大致相等，如圖3所示。

由于圖1中電感L2的存在，抑制了輸入電流的變化率，而正常負載條件下，主開關(guān)變壓器的電感電流處于CDCM或者DCM條件，主功率開關(guān)Q1總是在副邊的高頻整流二極管中的電流降低為0時開始導通，由于是反激式拓撲，在每個開關(guān)周期內(nèi)，變壓器繞組存儲的能量有時間全部轉(zhuǎn)移給負載，APFC得以實現(xiàn)。或者說，反激式拓撲依賴CDCM或DCM模式能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)，而濾波電感(L2)可以改善THD和AFPC電路的工作條件。

·非正常負載條件

異常情況，包括啟動期間，如果VINAC中斷，iW2202無法正確判斷開啟時間(t_on)，則Q1的開啟/關(guān)斷時間默認為10微秒。

輕負載條件下，輸出電流比較小，Q1的導通時間(t_on(e))也變短，當t_on(e)pev時，控制器控制Q1進入PFM(脈沖頻率調(diào)制)模式，Q1開通時間固定為t_pem而不會變得更短，除非負載繼續(xù)變小直至電路進入間歇工作狀態(tài)，柵極控制電壓則由方波變?yōu)殇忼X波，開啟方式則變?yōu)榫徛交_啟。

·變化的開關(guān)頻率

根據(jù)負載和線電壓平均值的不同情況，iW2202還會靈活地改變內(nèi)部振蕩器的開關(guān)頻率以改善系統(tǒng)效率，依據(jù)是導通時間t_on低線電壓、重載條件下的開關(guān)頻率比較低，高線電壓、輕載條件下的開關(guān)頻率使用比較高，開關(guān)頻率的最大變化范圍限定為600Hz～300kHz。

結(jié) 語

所設(shè)計的筆記本電腦適配器電源的技術(shù)指標如下：

·交流輸入電壓范圍AC 90～264V，交流輸入頻率范圍47～63Hz；

·效率：AC 90V輸入，滿載條件下，88.3％；AC230V輸入，滿載條件下，90.2％

·輸出電壓：19.5V±2.5％，AC230V輸入，滿載條件下，19.56V。

·最大平均輸出電流：4.62A

·功率因數(shù)：0.982，AC 230V輸入，滿載；

·輸入諧波失真：3.6％，AC230V輸入，滿載。