EVLVIP17 - 5WCHG：基于VIPER17HN的5W低待机功耗电池充电器演示板

在电子设备飞速发展的今天，电池充电器作为重要的电源设备，其性能和效率备受关注。今天我们就来深入探讨一下EVLVIP17 - 5WCHG演示板，这是一款基于VIPER17HN的5W开关电源（SMPS），可作为手机、PDA和电子游戏等设备的旅行电池充电器。

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主要特性与电路描述

基本参数

• 输入电源范围：90 - 264 VRMS，频率范围45 - 66 Hz。
• 输出参数：5.1 (V_{DC} pm 2 %) ，1 A ± 5%，具备电缆压降补偿（0.2 V/A）。
• 空载功耗：在高市电输入时，输入功率低于100 mW。
• 短路保护：具备自动重启功能，短路移除后可自动恢复正常工作。
• PCB类型与尺寸：CEM - 1，单面35 µm，尺寸为53 x 26 mm。
• 安全性：符合EN60065标准。
• 电磁干扰（EMI）：符合EN55022 - 类B标准。

电路拓扑与关键元件

• 拓扑结构：采用反激式拓扑，非常适合低功率、低成本的隔离式转换器。
• 初级侧：使用VIPER17HN，它是VIPer + 系列的一员，具有多种附加功能和保护特性。该芯片采用多芯片设计，集成了先进的电流模式PWM控制器和耐压800 V的雪崩耐用型功率MOSFET，封装为小型DIP - 7。转换器根据输入电压和输出负载，可在连续和不连续传导模式下工作。控制器后缀“ H”表示开关频率内部固定为115 kHz，有助于减少功率元件的使用。
• 输入部分：包括用于限制浪涌电流和故障保护的保险丝电阻、整流桥、两个电解大容量电容器和一个电感器，作为前端AC - DC转换器和EMC滤波器。
• 变压器：采用层式结构，使用标准EF12.6铁氧体磁芯，设计反射电压约为75 V。其独特的绕组技术消除了初级和次级侧之间常用的Y1安全电容。
• 启动电路：由VIPER17HN的内部高压启动发生器管理，典型启动电流为3 mA，保护介入时电流降至0.6 mA，以增加重启尝试周期，减少永久性故障时功率元件的应力。
• 电源供应：VIPER17HN的电源由变压器的自供电绕组提供，该绕组采用反激式配置。由于特定变压器的高漏电感，自供电电压会随初级峰值电流增加而增加，但VIPER17HN宽范围的 (V_{DD}) 电压（8.5 V - 23 V）确保了正确的电源供应。
• 电流限制：通过连接到CONT引脚的电阻R16，将内部MOSFET电流限制从标称值0.4 A降低到约280 mA，允许使用小型变压器（EF12.6用于5W输出）而无饱和风险。
• 掉电功能：为节省功率，特别是空载功耗，未安装掉电分压器，该功能被禁用。
• 内置特性：VIPER17HN具有频率抖动功能以降低EMI问题、软启动功能以及轻载和空载时的突发模式操作，还内置过流、过载和过温保护，确保电路板的安全运行。
• 次级侧：使用TSM1052恒压恒流（CV/CC）控制器，与光耦合器的光电二极管直接由输出电压供电。TSM1052宽范围的电源电压（最小1.7 V）允许在输出电压低至1.5 V - 1.6 V时仍能进行精确的恒流调节。当输出电压低于此限制时，电路失去调节，触发OLP保护，系统进入打嗝模式。若需要在零输出电压水平进行电流调节，可通过将TSM1052和光电二极管由输出电压与TR1C绕组正向整流电压之和供电来实现。
• 电缆压降补偿：通过添加电阻R7实现电缆压降补偿。输出电流越大，PCB输出端子上测量的输出电压越高，从而补偿连接设备与负载的电缆上的电压降，确保负载端电压基本恒定。具体来说，由于R7等于R9，输出电压每增加1 mA输出电流增加0.2 mV，该值基于此类应用的典型电缆电阻（通常约0.2 - 0.3 Ω）选择。

工作波形

满载工作波形

在满载（5W）正常工作时，不同市电输入下转换器工作模式不同。在低市电（115 (V{RMS}) ）时，转换器以连续传导模式工作；在230 (V{RMS}) 时，以不连续传导模式工作。这种设计充分利用了两种工作模式的优势。波形图中还展示了为设备供电的 (V_{DD}) 电压和反馈引脚电压。

空载波形

空载时，电路以突发模式工作。得益于VIPER17HN的高压启动发生器、低电流消耗、空载时的低 (V_{DD}) 电压以及TSM1052的低功耗，在整个输入电压范围内输入功率小于100 mW。此时突发频率约为1 kHz，由于峰值电流极低，电路板不会产生声学噪声。

短路操作

输出短路时，由于过载保护（OLP）激活，转换器进入打嗝模式。在115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 输入下，工作情况相似，因为 (V{DD}) 电容器的充电/放电时间和FB引脚行为与大容量电容器电压无关。短路发生时，FB引脚饱和高电平，约8 ms后连接到该引脚的电容器充电至4.8 V（典型值），触发OVL保护。当 (V{DD}) 电容器放电至4.5 V（典型值）时，高压启动发生器以降低的电流（典型值0.6 mA）开启，达到 (V{DD}) 开启阈值时，IC开启，循环重复。短路移除后，恢复正常工作（自动重启）。即使在230 (V{AC}) 输入下，电路行为不变，短路条件下的工作时间相对于关断时间极短，这限制了功率元件的耗散，确保了电路的可靠运行，且此时漏极电压峰值远低于VIPER17HN该引脚的最大额定值。

电气性能

效率和空载测量

在115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 两种标称电压下，分别测量了不同负载百分比下的效率。该适配器符合EPA 2.0低电压设备标准（ (V{OUT }<6) (I{OUT }>0.55 ~A) ），5W SMPS的最低要求效率为68.2%（按25%、50%、75%和100%额定负载效率的平均值计算）。空载输入功率测量结果显示，空载功耗始终低于100 mW，满足全球最严格的效率和空载功耗标准（如欧洲行为准则，自2011年1月1日起，移动手持电池驱动应用适配器空载功耗 < 150 mW）。空载时输出电压调节良好，输出电压始终在规格范围内，空载运行或负载瞬变时无输出电压下降、异常关断和重启循环。

V - I输出特性和电缆压降补偿

在115 (V{AC}) 市电输入电压下，测量了PCB输出焊盘和输出电缆末端的V - I输出特性，230 (V{AC}) 时数值变化不显著。由于TSM1052的高性能，在恒流区域，输出电压可降至1.5 V（输出电缆末端为1.3 V），同时完美调节输出电流。进一步降低输出负载阻抗（如短路情况）会导致输出电压进一步下降，不足以给TSM1052供电，从而使电路进入打嗝工作模式，平均输出电流极低。该电路通过输出电压为TSM1052供电，由于该器件的低 (V_{CC}) ，即使输出电压非常小也能调节输出电流。通过简单电路实现了输出电缆电压降补偿，有电缆压降补偿（CDC）时输出电压几乎恒定，无CDC时最大负载下输出电压降至4.87 V（约 - 3.9%）。不同输入市电电压下测量偏差可忽略不计（几毫伏）。

传导噪声测量（预合规测试）

在最大标称电压（230 (V{AC}) ）下进行了传导发射预合规测量，采用准峰值和平均值检测。仅报告了最差线的测量结果，测量结果显示相对于EN55022 CLASS - B规格的限值有良好的余量。VIPER17HN的频率抖动功能使开关频率谐波频谱分散，降低了峰值，在平均值测量中尤为明显，相对于限值有显著余量。在115 (V{AC}) 满载时的传导发射平均值测量中，测量噪声也远低于EN55022 Class - B限值。

热测量

使用红外相机对电路板进行热分析，分别给出了115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) 市电输入、满载（ (P{OUT }=5 ~W) ）、环境温度 (T{A}=26^{circ} C) 、发射率为0.95时的热图像。还列出了关键元件在不同市电输入下的温度，如输出二极管D4、钳位电阻R1、PCB热点、输出电流检测电阻R11、VIPER17HN芯片IC2和变压器TR1等。

物料清单

详细列出了EVLVIP17 - 5WCHG演示板的物料清单，包括各个元件的参考编号、描述、封装和制造商等信息，为工程师进行设计和生产提供了清晰的指导。

PCB布局

提供了THT元件布局（顶面）和SMT元件布局（底面）及铜轨的相关图形，合理的PCB布局对于电路的性能和稳定性至关重要，工程师可以参考这些布局图进行实际设计。

综上所述，EVLVIP17 - 5WCHG演示板在性能、效率、安全性和电磁兼容性等方面表现出色，为电池充电器的设计提供了一个优秀的范例。各位工程师在实际设计中，不妨借鉴其设计思路和方法，结合具体需求进行优化和改进。你在设计类似充电器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。