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芯片变压器系统基于SE3910的高性能隔离式AC/DC电源解决方案

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目前,在100W以下电源方案中,一般都使用脉冲宽度调制(PWM)控制芯片来实现PWM的调制,开关控制模式相对直流工作模式有很高的工作效率,使用反激离线工作模式,提高了系统工作的安全性,非常适合应用在便携式充电设备及电源适配器,比如,手机充电器,电源适配器等,因此,AC/DCPWM开关电源芯片在市场上的需求量非常大。不过传统的AC/DC电源方案都是使用变压器次级线圈反馈模式(SSR),变压器次级反馈工作模式都需要低压端的恒压-恒流控制芯片协助完成电压的转换和实现恒流,此类应用方案增加了系统应用复杂程度,同时还增加系统方案的设计成本,本文要介绍的AC/DC电源控制芯片是思旺电子SE3910,这是一款变压器原边线圈反馈模式(PSR)的PWM控制芯片。

SE3910技术特点

SE3910是一款绿色模式PWM控制器芯片,适用于小功率AC/DC充电器,适配器及LED驱动方案;该芯片为SOP-8封装,PWM模式工作时开关频率固定在40KHz,其内部集成了恒压恒流控制模块,应用方案使用PSR模式,省略了传统方案中的光耦合器、恒压/恒流控制芯片及其周围电路,大大简化了芯片的应用成本,降低了系统应用的复杂度。

芯片设计时特别考虑了EMI,对开关频率模块特别设计有频率抖动功能,每3.2ms的周期内按所设计的顺序出现8种不同的开关频率,将电磁干扰频谱转移到一个相对较宽的频率带宽,从而达到优化系统EMI的目的。

同时SE3910的工作状态使用多模式调节功能,在空载或轻负载时,芯片会自动进入PFM工作模式,保证电源系统输入能量和输出能量精确守恒,防止了轻载或空载时能量过大,当负载升高到芯片所设置的重载设计值时,芯片会控制系统自动进入PWM工作模式,大幅度的优化了系统的工作效率,使系统效率能够达到80%以上,也减小了空载和轻载工作状态下的输出纹波。

芯片设计有软启动功能,很好的抑制了系统上电时的大电流,保护了电路板的损坏,减小了系统启动时的大电流对系统功耗的影响;芯片还具有电源欠压保护功能,LEB功能、过温度保护功能等,最大程度的提高了芯片工作时的可靠性和安全性;芯片适合应用在5W及5W以下的电源方案中。

典型应用方案

SE3910能广泛应用在各种低功率AC/DC开关电源方案中,比如手机充电器,电源适配器等,除此之外,由于芯片集成有恒流功能,所以也可广泛应用在小功率LED驱动方案中。

图1是SE3910基本的应用电路,其中由变压器/输出级/R3/R4/SE3910等组成负反馈通路,通过调整GATE端的开关信号占空比来控制变压器的转换能量,使系统稳定在设置的工作状态。交流电压先经过一个桥式整流电路将交流转换成高压直流信号,R1和C2组成系统启动电路,VIN是SE3910的启动PIN,COMV PIN上的R5、C6和C7组成系统补偿电路,确保系统具有稳定的频率响应,FB是输出电压检测PIN,通过设置R3/R4就可以调整变压器副边上的电压,根据变压器电压比与匝数比成正比的原理,来实现对直流输出电压的调整;GATE是PWM输出PIN,它用来控制功率管13003来实现控制变压器原边的峰值电流,来达到对变压器转换能量的控制,CS PIN用来检测变压器峰值电流,当系统工作在恒流模式时,CS PIN上的电压会被固定在设置的最大值,也就确定了变压器原边最大峰值电流,从而实现输出也恒流,通过调整R6电阻就可以灵活调整输出恒流值。

图2是目前比较流行的SE3910应用方案实例,一个是充电器方案,另一个是LED驱动方案。系统设计时的关键点在于输出恒压和恒流值设计。

输出恒压值的设计:

系统的恒压实现原理是通过SE3910内的运算放大器将由变压器负反馈的的输出电压信号在芯片FB PIN上的采样值稳定在芯片所设置的ref的恒定值,ref 是芯片内部一个带隙基准源模块所输出的恒定电压为1.5V,从而达到稳定输出电压的目的。

其中分别是变压器副边和次边的匝数,分别是二极管D6和D7的导通电压,在粗略设计时可忽略二极管的电压差,所以上式可简化为:

输出恒流值设计:

系统的恒流设计原理是通过设置Primary Side的峰值电流为恒定值,芯片的CS pin在恒流工作模式时,会被固定在最大值0.8V,0.8V除以R6的值就能将变压器的原边最大峰值电流设置在要求值,变压器两边之间的电流比等于匝数的反比,再乘以反激时的占空比就能得到一个恒定的输出电流。

上式中的是变压器原边最大峰值电流,是芯片设置的0.8V。

在选择上述参数时需要电阻和变压器的匝数比的精度要高,这些参数直接影响输出恒压和恒流的精度,其它器件基本上比较通用,只需要按照厂家提供的参数就可以。

系统特点:

采用变压器原变反馈模式(PSR),省略了传统方案中外围的光耦合器、恒压恒流控制芯片及周围器件,大幅度降低了系统成本;芯片能多模式工作,确保系统达到了较高的工作效率;小于50uA的系统启动电流;能达到较精确的恒压和恒流值;输出有短路保护;小的待机功耗(Standby Power);宽泛的交流电压供电范围(85V~275V)。

基于SE3910所设计的开关电源方案,一般只适用输出在5W及5W以下方案,主要是当输出功率较大时,变压器会工作在连续工作模式(CCM),导致系统效率会下降,输出恒流精度会变差。

本文小结

随着便携式电子设备越来越流行,便于携带的充电器、适配器等相关配件也会越来越受消费者青睐,未来电源方案势必会向低成本、易携带、高性能、高可靠性的方向发展。高性能PWM控制器芯片SE3910正是顺应此趋势,使用该芯片可以构建使用很少外部元件并在宽的交流电压输入范围内保持高性能的AC/DC转换器解决方案。


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