17W双输出反激式转换器设计解析：用于LCD显示器的高效电源方案

在电子设备的设计中，电源供应是至关重要的一环。对于LCD显示器而言，一个稳定、高效的电源能够确保其正常运行和良好的显示效果。今天，我们将深入探讨一款由Power Integrations公司设计的17W双输出反激式转换器，该转换器采用了LinkSwitch - HP系列的LNK6774V芯片，为LCD显示器提供了可靠的电源解决方案。

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一、设计概述

这款反激式转换器能够实现90VAC - 265VAC的宽输入电压范围，输出为5V/1A和18V/670mA。它具有多种优秀特性，如±5%的稳压精度、132kHz的开关频率以减小变压器和输出滤波器的尺寸、全负载连续导通模式以提高效率和降低输出电容纹波电流、多模式操作以在全负载范围内实现最高效率等。同时，它还具备丰富的保护功能，如过压保护（OVP）、过温保护（OTP）、欠压/过压保护（brown - in/out）、线路过压保护和失稳保护（自动重启）等，并且满足EN - 550022和CISPR - 22 Class B传导EMI标准以及IEC61000 - 4 - 5 1kV / 2kV浪涌标准。

二、电源规格

输入参数

输入电压范围为90 - 265VAC，频率为47 - 64Hz（2线，无PE）。在230VAC、5V 0.01A、18V空载的待机状态下，输入功率小于100mW。

输出参数

• 5V输出：电压范围为4.75 - 5.25V，纹波电压小于150mVpp（20MHz带宽，稳态负载），输出电流为0 - 1500mA，电压瞬变范围为4.75 - 5.5V。
• 18V输出：电压范围为16.2 - 26V，纹波电压有相应要求，输出电流为0 - 670mA，电压瞬变范围为16.2 - 28V。
• 总输出功率连续输出功率为0.05 - 17.1W，满载效率在90VAC和满载时可达80%。

环境与安全要求

该电源设计满足CISPR22B / EN55015B传导EMI标准，安全设计符合IEC950、UL1950 Class II标准。能承受1kV 1.2/50μs的差模浪涌和2kV的共模浪涌，静电放电（ESD）空气放电范围为 - 15 - 15kV，接触放电范围为 - 6 - 6kV，环境温度范围为0 - 40°C（自由对流，海平面）。

三、电路设计

输入整流与滤波

桥整流器BR1对交流输入进行整流，然后由电容C2进行滤波。电感L1、电容C1和C2用于衰减差模和共模传导EMI。在变压器T1的构造中采用了屏蔽技术（E - Shield™），以减少共模EMI位移电流。这种滤波安排、专有的E - Shield技术以及芯片的频率抖动功能，结合Y电容和初级侧RCD钳位电路，为该解决方案提供了出色的EMI性能。

LinkSwitch - HP初级

LNK6774V芯片（U1）集成了振荡器、误差放大器、多模式控制电路、启动和保护电路以及高压功率MOSFET。电源变压器的一侧连接到高压母线，另一侧连接到U1的DRAIN引脚。在开关周期开始时，控制器打开功率MOSFET，电流在初级绕组中上升，将能量存储在变压器的磁芯中。当电流达到由内部误差放大器输出（CP引脚电压）设置的极限阈值时，控制器关闭功率MOSFET。由于变压器绕组的相位和输出二极管的方向，存储的能量会在次级绕组上感应出电压，使输出二极管正向偏置，从而将存储的能量传递到输出电容。连接到BP引脚的电容C5（4.7μF）设置了过压保护（OVP）、失稳保护（自动重启）和过温保护（OTP），在给定的关断时间（典型值为1500ms）后自动重启尝试。

初级RCD钳位

由二极管D1、VR1、C3、R1、R2、R3和R4组成的RCD缓冲器用于限制LinkSwitch - HP上的电压应力。在265VAC时，峰值漏极电压通常限制在小于580V，为725V的漏极电压（BVDSS）提供了显著的余量。齐纳二极管VR1可防止电容C3在每个开关周期完全放电，以降低待机操作期间的功耗。

输出整流

18V输出的整流由二极管D3完成，滤波由电容C11和C12提供。由R10和C10组成的缓冲器提供高频滤波，以改善EMI。5V输出的整流由二极管D4完成，滤波由电容C13和C14以及电感L2提供。由R12和C15组成的缓冲器同样用于高频滤波，以改善EMI。

外部电流限制设置

通过连接到PD引脚的电阻R6设置最大逐周期电流限制。在本设计中，23.2kΩ的电阻将最大电流限制设置为LNK6774V默认电流限制的60%。

反馈与补偿网络

在反激期间，通过偏置绕组和电阻分压器（R8和R9）感测输出电压。将感测到的输出电压与FB引脚阈值进行比较，以调节输出或在检测到过压条件（OVP）时停止开关。这种初级侧调节解决方案不仅降低了系统成本，还提高了系统的使用寿命，因为使用LinkSwitch - HP设计的电源不需要光耦合器（光耦合器会显著降低电源的寿命）。电压分压器R8和R9还用于在集成功率MOSFET导通期间间接监测母线电压。在启动时，只有当母线电压通常达到100V（欠压阈值）时，芯片才会启用开关。如果母线电压下降（例如在欠压情况下低于40V），设备将停止开关（欠压保护）。如果母线电压达到过高水平（例如由线路浪涌引起），设备也会停止开关。此外，逐周期电流限制会在整个线路上进行补偿，以限制可用的过载功率。FB引脚感测到的电压在CP引脚产生控制电压，电阻R7和电容C7、C8用于控制环路补偿。CP引脚电压决定了工作峰值初级电流和工作开关频率。

四、PCB布局

合理的PCB布局对于电源的性能至关重要。在该设计中，输入整流和滤波部分、变压器、输出整流部分等都有合理的布局安排，以减少干扰和提高效率。例如，输入滤波电容和电感的位置应靠近输入端口，以有效衰减EMI；变压器的布局应考虑到其与其他元件的距离和耦合，避免产生不必要的干扰。

五、变压器设计

设计参数

变压器的设计是该电源的关键部分。其输入参数包括最小交流输入电压90V、最大交流输入电压265V、交流电源频率50Hz等。输出参数包括输出电压5V、输出功率17W等。变压器的核心参数如有效截面积AE为0.518cm²，有效路径长度LE为5.78cm，无间隙有效电感AL为2000nH/T²等。

绕组设计

变压器有多个绕组，包括初级绕组、次级绕组和偏置绕组。初级绕组有60匝，次级绕组根据不同的输出有不同的匝数，如5V输出绕组匝数为2.92（实际设计中会取合适的整数值），18V输出绕组匝数为10.09。绕组的线径和材质也有相应的要求，以满足电流承载能力和绝缘要求。

电气规格

变压器的电气规格包括电气强度（3000VAC，1秒，60Hz，从引脚1 - 6和引脚7 - 12）、初级电感（1436μH ±7%，引脚5 - 6，其他绕组开路，在100kHz、0.4VRMS下测量）、谐振频率（1500kHz（最小），引脚5 - 6，其他绕组开路）和初级漏电感（15μH（最大），引脚5 - 6，引脚7 - 12短路，在100kHz、0.4VRMS下测量）。

材料与构造

变压器的材料包括EF25磁芯（TDK PC44 - EF25Z，带间隙ALG 398.9nH/T²）、EF25卧式12引脚骨架（Ying Chin，P/N: YC - 2504）、不同规格的漆包线（如#32AWG、#27AWG、#28AWG）、特氟龙管、各种胶带（如3M 44边缘胶带、3M 1298聚酯薄膜胶带）和清漆（Dolph BC - 359）。其构造过程包括绕组准备、各绕组的绕制、绝缘处理和最终组装等步骤，每个步骤都有严格的要求，以确保变压器的性能和可靠性。

六、性能测试

效率测试

在不同的输入电压和负载条件下对电源的效率进行了测试。在室温下，测量了有源模式效率和待机效率。有源模式效率随着输入电压和负载的变化而变化，在不同的输入电压下，满载效率都能达到较高水平。待机效率在不同输入电压下也有相应的表现，输入功率在待机状态下较低，满足设计要求。

电压调节测试

测试了在不同输入电压下，5V和18V输出的电压调节情况。结果显示，在不同的输入电压和负载条件下，输出电压都能保持在规定的范围内，具有良好的电压调节性能。

动态负载测试

对电源在动态负载下的输出电压进行了测试，包括5V和18V输出在不同负载变化情况下的电压响应。测试结果表明，电源能够快速响应负载变化，输出电压的波动在可接受的范围内。

纹波和噪声测试

采用特定的测试方法对输出纹波和噪声进行了测量。通过对18V和5V输出在不同输入电压和负载条件下的纹波测试，结果显示纹波电压在规定的范围内，满足设计要求。

保护功能测试

对电源的各种保护功能进行了测试，包括短路自动重启、输出过压保护、欠压/过压保护、线路浪涌保护和ESD保护等。测试结果表明，电源在遇到各种异常情况时能够及时启动保护机制，确保设备的安全运行。

七、总结

这款17W双输出反激式转换器为LCD显示器提供了一个高效、稳定且可靠的电源解决方案。通过合理的电路设计、优化的变压器设计和严格的性能测试，该电源能够满足LCD显示器在不同工作条件下的电源需求。同时，其丰富的保护功能和良好的EMI性能也提高了整个系统的可靠性和稳定性。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对该设计进行适当的调整和优化，以更好地满足不同产品的要求。

在设计电源时，你是否也遇到过类似的挑战？你对电源的哪些性能指标最为关注呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。