基于L6565准谐振PWM控制器的30W AC - DC适配器设计与评估

引言

在电子设备的电源设计中，AC - DC适配器是不可或缺的一部分。今天我们要探讨的是基于L6565准谐振（QR）PWM控制器的30W AC - DC适配器评估板（STEVAL - ISC001V1）。这个评估板为AC - DC适配器的设计提供了一个参考，能以较低的成本实现良好的性能。

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设计规格

电气规格

评估板的电气规格涵盖了输入电压、输出功率、效率等多个方面。输入电压范围为88 - 264V ac，市电频率为50/60Hz，最大输出功率30W，输出电压为15V ± 3%，输出电流为0 - 2A，输出纹波 ≤ 1%。最小开关频率在100V DC输入电压时为60kHz，在输出功率为30W、输入电压为88 - 264V ac时，目标效率 η > 80%，最大空载输入功率 < 0.75W，并且要符合欧洲外部电源效率行为准则。

物料清单（BOM）

BOM详细列出了评估板所需的各种元器件，包括电阻、电容、电感、变压器、二极管、集成电路等。每个元器件都有明确的参数和规格要求，例如电阻的阻值和精度、电容的容值和耐压等。这些元器件的选择直接影响到适配器的性能和稳定性。

变压器规格

变压器采用了特定的型号（558179），由Albe s.r.l. 提供。其核心采用E25/13/7，N67材料或3C85或等效材料，线轴为垂直安装，有10个引脚。气隙约为1mm，电感为740µH，漏电感在60kHz时小于20µH。绕组的规格和绕制方式也有详细规定，不同绕组的引脚起始和结束位置、线径、匝数等都有所不同。

评估板功能

开关频率与电压设计

最小开关频率（在 (V{in }=100 ~V{DC}) 时为60kHz）是在变压器尺寸和频率相关损耗之间进行权衡后选择的。反射电压选择为150V，只有当转换器在110V市电下工作时才能实现零电压开关（ZVS），这个值在220V市电下能在电容和开关损耗之间取得较好的平衡。为了应对漏电感尖峰，使用了800V的功率MOSFET（STP5NK80ZFP）。

启动电路与损耗优化

为了满足空载消耗目标，采取了两个设计选择。一是使用由D1、D2、C14和R1组成的电荷泵启动转换器，而不是通常的降压电阻。由于L6565的启动电流极低，这种电路在88 (V{ac}) 时典型唤醒时间为2.8s，在264 (V{ac}) 时为0.75s，并且在264 (V_{ac}) 时功耗小于50mW，相比使用降压电阻的启动电路可节省约200mW。二是使用瞬态抑制二极管（D4）和D3组成的钳位电路来处理漏电感尖峰，而不是RCD钳位，这样又可节省约200mW。

输出电压调节与保护

输出电压调节采用次级反馈，使用TL431 + 光耦的典型配置。R12、C13和C9在初级侧补偿电压环路以确保稳定性，通常交叉频率为5kHz，相位裕度为70°。在初级绕组两端添加了100pF的低损耗电容（C15），通过对漏极电压上升率的小缓冲效应来优化最大功率时功率MOSFET的损耗。变压器去磁和功率MOSFET导通之间的延迟通过R8进行调整，最终值47kΩ是通过实验确定的，以实现最佳导通点。

转换器具有完善的短路保护功能。在短路情况下，它以内部启动器的频率（2.5kHz）运行，辅助绕组上的反射电压下降，导致L6565的供电电压无法维持，从而进入间歇性运行（“打嗝”模式），功率吞吐量较低（在264 (V_{ac}) 时 < 1W）。R10通过上拉ZCD引脚防止功率MOSFET因引脚信号反弹而误导通。此外，L6565电流检测引脚的第二过流电平使得二次绕组直接短路或D7短路时也会导致间歇性运行，功率吞吐量更低。

评估板评估

测试设置

在进行评估时，将88 - 264 (V_{ac}) 的交流电压通过交流源施加到连接器M1。如果使用高压直流源，需要注意启动电荷泵将无法工作，需要使用降压电阻来让L6565启动。15V DC输出（连接器M2）靠近右下角，连接到负载。如果使用CC模式的电子负载，要确保负载开始吸收电流的电压 > 1V，否则可能导致评估板在最大负载下无法启动。

测试结果

通过一系列的测试，得到了评估板的各项性能指标。典型性能包括调节后的输出电压、最小和最大工作频率、线路和负载调节率、输出电压纹波、最大满载效率和最大空载输入功率等。不同负载和线路条件下的波形也为我们提供了直观的参考，帮助我们更好地理解评估板的工作状态。

评估板优化

为了满足欧洲外部电源效率行为准则第三阶段的要求（自2005年1月1日起生效），需要对评估板进行优化，使空载消耗在额定输入电压（220 (V_{ac}) ）下小于0.5W。主要的优化步骤包括：

1. 消除C15：虽然这会在重负载和中等负载时略微降低效率，但在最大市电下可节省约100mW的空载输入消耗。
2. 更换启动电路：用更高效的高压有源启动电路（如图15所示）替换启动电荷泵，可节省约40mW的输入消耗。
3. 改变反馈网络拓扑：修改初级侧的反馈网络拓扑，将光耦的工作电流从3mA降低到1mA，并减少次级侧的假负载，可降低约100mW的输入消耗。

此外，还可以通过增加R2、R3和R4的阻值，使用更小或更低电压额定值的功率MOSFET来降低漏极节点的寄生电容，以及最小化初级绕组的寄生电容等方法来进一步优化设计，获得更多的设计余量。

总结

基于L6565准谐振PWM控制器的30W AC - DC适配器评估板为电源设计提供了一个可行的方案。通过合理的设计和优化，可以在满足性能要求的同时，降低成本和空载消耗。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求对评估板进行进一步的调整和改进，以实现更好的性能和稳定性。你在设计类似的AC - DC适配器时，是否也遇到过类似的问题呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。