AN1064_CN

Application Note 1064
AP3765 系统设计方案及应用注释
作者:孙俊杰
系统工程部
1. 概述
2. 工作状态描述
AP3765 使用频率调制方式(PFM)实现断续导
通模式(DCM)的反激式开关电源的设计。频率
调制的原理不同于脉宽调制(PWM),所以变压器设
计也有所不同。AP3765 通过使用原边调节(PSR)
可以提供比较精确的恒压,恒流(CV/CC) 控制。
1.1 原边恒定峰值电流
如图 1 所示,原边电流 IP(t)通过电流检测电
阻 RS 来检测。电流以如下速率线性上升:
dip ( t ) vg( t )
=
dt
LM
AP3765还可以通过PFM工作模式和全新的超
低启动电流技术实现超低的待机功耗。AP3765 的
系统方案能够满足待机功耗低于30mW 的5星级
充电器标准。
(1)
图1是AP3765 典型应用电路图。
D2
T1
VO+
+
C1
R1
+
R5
D1
C2
V
D3
R2
VCC
OUT
R3
CS
Ns
C4 +
VO-
N FB
V
Q1
AP3765
R4
C3
NP
R6
FB
GND
R7
RS
图 1. AP3765 典型应用图
如图 2 所示,当电流 IP(t)上升到 IPK 时,开关管
Q1 关断,恒定峰值电流如下:
Ipk =
图 2. 原边电流波形
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VCS
RS
(2)
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每个周期贮存在磁化电感 LM 中的能量为:
1
Eg = ⋅ L M ⋅ Ipk 2
2
在恒流操作时,AP3765的恒流控制功能将D2
的导通时间和关断时间保持固定的比例,这种功能
是通过对内置的电容充放电来实现的。固定比例
是:
(3)
因此, 从输入到输出转换的功耗为:
1
P = ⋅ L M ⋅ Ipk 2 ⋅ f SW
2
t ONS 4
=
t OFFS 3
(4)
(6)
输出恒流和副边峰值电流的关系如下:
fSW 是开关频率,当峰值电流 IPK 恒定时,输出
功率取决于开关频率 fSW。
t ONS
1
Iout = × Ipks ×
t ONS + t OFFS
2
2.2 恒压控制
D2开通的一瞬间,原边电流传递到副边的电
流峰值为:
AP3765用FB引脚检测辅助绕组电压,并工作
在恒压模式(CV)调整输出电压。假设在D2导通
期间,副边绕组是主绕组,辅助绕组是从绕组,辅
助绕组电压为:
VAUX =
N AUX (Vo + Vd )
NS
Ipks =
(7)
Np
× Ipk
Ns
(8)
因此输出恒流电流如下:
(5)
Iout =
t ONS
1 Np
2 Np
×
× Ipk ×
= ×
× Ipk
t ONS + t OFFS 7 Ns
2 Ns
(9)
2.4 前沿消隐(LEB)
Vd 是二极管的正向压降电压,NAUX 是辅助
绕组匝数,NS 是副边绕组匝数。
当开关管开通时,在检测电阻上会产生一个开
通尖峰,为了避免开关脉冲的误终止,一个750ns
的LEB内置于IC中,在这期间,电流检测比较器被
禁止,门驱动不能被关断。
2.5 电流连续模式(CCM)保护
无论是CV还是CC模式,AP3765都设计成工作
在电流断续模式(DCM)。为避免工作在连续模
式,AP3765在每个周期检测FB输入电压的下降沿,
如果在tONS 结束时没有检测到FB引脚有0.075V下
降沿,AP3765将停止工作。
图 3. 辅助绕组电压波形
2.6 过压保护(OVP)和开路保护(OCkP)
输出电压与副边电压相差一个二极管正向压
降而不同,二极管正向压降取决于流过的电流,如
果副边电压总是在固定的副边电流检测,输出电压
和副边电压的差值固定于Vd。对于AP3765,电压
检测点在D2导通时间的3.2µs处,这意味着在固定
的副边电流点检测副边电压。AP3765的恒压回路
控制功能产生一个D2的关断时间去调节输出电
压。
如图5,AP3765包含了过压和开路保护电路。
如果FB电压超过8V(正常检测电压的100%),
AP3765会进入过压保护模式。 但是, 如果在tONP
结束时未在FB输入端检测到0.075V上升沿或在
tSAMPLE 结 束 后 未 检 测 到 大 于 0.075V 的 高 电 压 ,
AP3765将进入开路保护模式。当AP3765进入过压
保护或开路保护模式后会每隔18ms发出一个错误
检测脉冲直到故障消除。
2.3 恒流控制
OVP
8V
S
Q
COMP
pro
R
OCkP
0.075V
COMP
Timer_18ms
图4. 副边电流波形
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图5. OVP和OCkP功能块
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由VCC脚引入电源。图6给出了设计过程中各参数
的相对理想状态下的工作波形。参数术语的命名如
下:
3. 设计规范
3.1 低待机功耗设计
为了兼顾低待机功耗和空载输出电压过冲,需
要仔细选择假负载电阻 R8。为了实现待机功耗低
于 30mW 时具有可以接受的空载输出过冲电压,
R8 的推荐值为 5.1kΩ 到 10kΩ。启动电阻(R1+R2)
在空载或轻载时的损耗也需要仔细考虑。考虑到待
机功耗低于 30mW 和小于 3 秒的启动延迟时间,
R1 和 R2 的总阻值推荐为 10MΩ 到 13MΩ。相应地
推荐使用 1µF 到 1.5µF 偏置电容 C2。
Vdri---简化的原边开关管的驱动信号
IP---原边电流
IS ---副边电流
VS---副边电压
tsw---开关周期
fsw---开关频率
tonp---原边导通时间
tons----副边导通时间
toff---关断时间
Ipk---原边峰值电流
Ipks---副边峰值电流
Vds---输出电压 VO 与输出整流管正向导通压降之
和
3.2 变压器设计
图1显示的是一个由AP3765 控制的带有3个绕
组的反激变换器。3个绕组分别为原边(NP), 副边
(NS)和用于偏置电源和输出电压检测的辅助绕组
(NA)。AP3765从FB脚检测辅助绕组的反馈电压,
tonp
Vdri
tsw
Ipk
Ip
Ipks
Is
tons
Vds
Vs
toff
图6. 工作波形图
4. 设计步骤:
t ONP = I pk
第一步. 为AP3765反激变换器选择适当的IPK
1-1. 计算变压器的最大匝比
计算变压器的最大匝比应该是设计的第一
步,这保证在任何条件下,特别是在最小输入电
压和满载时系统都工作在断续状态。
(11)
Vindc
其中Lp是原边绕组电感量,Vindc是整流后的直
流输入电压。
当Vindc为最小值时,可以得到最大的tONP。因
此
如果在最小输入电压和满载时系统能满足公
式(10),则在任何条件下系统都工作在断续状态。
t SW ≥ t ONP + t ONS
Lp
t ONP _ MAX = I pk
Lp
Vindc _ min
(12)
(10)
对副边电流而言,
对原边电流而言,
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t ONS = I pks
LS
VS
在最大负载时,系统会工作在 CV 和 CC 状态
的边界。IO 可以表示为
(13)
在公式(13)中,Ls 是副边绕组电感量。
1 t ONS
×
I pks
2 t SW
IO =
VS = VO + Vd , Vd是副边整流二极管的正向导通
(21)
则Ipks定义为
压降。
(22)
I pks = kI O
对于公式(13),在恒压(CV)模式,Vs 是恒
定的电压,所以 tONS 在不同输入电压下是恒定的。
在AP3765的设计中,
在反激变换器中,当原边开关三极管导通时,
能量被存贮在励磁电感 Lp 中,因此,存贮的能量
可以表示为:
1
Pin = L p I 2pk f SW
2
k=
4:3)
(23)
(14)
因此,可得到
则,
t SW =
2t SW
= 3.5(在恒流模式,tONS 和 tOFFS 的比值是
t ONS
n ps ≤ Vindc_min (
L p I 2pk
(15)
2Pin
k×η 1
−
)
2VO VS
(24)
所以,最大的原副边匝比 N 为
k×η
1
)
−
2VO VO + Vd
用公式(15),(12) 和(13)替换公式(10)中的 tSW,
tONP 和 tONS,
N ≤ Vindc_min (
L p I 2pk
由于以上计算都是基于忽略系统精度的理想
情况,所以 k 由经验值 3.85 来替代理论值 3.5。
2Pin
≥ I pks
Lp
Ls
+ I pk
Vs
Vindc_min
(16)
1-2. 计算原边峰值电流和电流采样电阻
因为峰值电流与原边电感量及副边电感量有
如下关系:
I pks = n ps × I pk
根据输出电流计算出 Ipk:
(17)
I pk =
Ls =
Lp
n ps
(18)
2
I pks
n ps
=
k × IO
n ps
(26)
这里,k=3.85,nPS 是 nMAX 的计算值。
其中nPS是原边绕组与副边绕组的匝比。
在AP3765中,内部参考电压为0.5V。如果检
测电压VCS 达到0.5V,功率管会被关断,tONP结束。
合并公式(16),(17),(18),则
I pk
1
1
≥
+
2Pin VS n ps Vin
R CS =
(19)
VO I O
η
0.5V
I pk
(27)
所以 RCS 可由公式(27)得出,并从标准系列电
阻中选出实际值。在 RCS 确定后,Ipk 可以根据选定
的 RCS 进行修正。
因为,
Pin =
(25)
(20)
至此,Ipk 和RCS已经设计好了。
这里 η 是系统的效率。
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3-1. 选择副边和辅助绕组的整流二极管
副边最高反向电压:
第二步. 设计变压器
2-1. 计算原边电感量 LP
原边电感量LP与存储能量相关。LP应该足够大
以存储足够的能量,因此可以从系统中得到Po_Max。
Vdr = VO +
Vindc_max N S
由公式(20),可给出最大功率为:
1
PO = L p I 2pk f SW η
2
辅助绕组最高反向电压:
( η : 系统效率)
(28)
Vdar = VA +
Vindc_max N A
2PO
2
I PK f SW η
在公式(34)和(35)中,应该使用最大直流输入
电压。
(29)
3-2. 选择原边开关管
这里,为得到最好的系统综合性能,推荐的满
载最佳开关频率fSW为50kHz到60kHz。
Vdc_max = Vdc_spike + Vindc_max +
2-2. 重新计算原副边匝比---nPS
k ⋅ IO
(k = 3.85)
I pk
5. 设计举例
(30)
规格:
输入电压:85VAC-265VAC
输出电压:VO=5V
输出电流:IO=0.7A
系统效率:75%
开关频率:fSW=60kHz
副边绕组整流管正向导通电压:Vd=0.4V
辅助绕组整流管正向导通电压:Vda=1V
辅助绕组反馈电压:Va=20V
磁芯:EE16 (Ae=19.2mm2)
∆B : ∆B =2450GS
Vdc_spike=100V (包含吸收电路)
输出导线:28AWG, 1.5m 长, 0.214Ω/m
副边整流管占空比: D ons = 4/7
反馈电阻:R6=36.5k, R7=9.1k
首先,要确定合理的磁芯类型和 ∆B,然后分
别计算出 3 个绕组的匝数。
原边绕组匝数:
L P I PK 10 4 (L :mH,I :mA,Ae:mm2, ∆B :GS)
p
pk
Ae × ∆B
(31)
副边绕组匝数:
NS =
NP
n PS
(36)
.
2-3. 计算原边,副边和辅助绕组的匝数
Np =
VS N P
NS
注意不同的吸收电路,Vdc_spike 也是不一样的。
由公式(26),原副边匝比可以重新计算
n ps =
(35)
NP
则,LP 可从下面公式中得出
LP =
(34)
NP
(32)
设计步骤:
第一步. 设计合理的 AP3765 反激电路的 Ipk
1-1. 计算变压器最大匝比
辅助绕组匝数:
N V
NA = S A
VS
N MAX = Vindc_min (
(33)
(37)
Vindc_min = Vinac_min × 2 − 40 (当 IO=0.7A, 设置:Vindc 下
这里,VA取典型值20V,VS等于Vo+Vd。
磁芯选定后,Ae可自动得到。
第三步. 选择整流二极管和原边开关管
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k×η
1
−
)(k ≈ 3.85)
2VO VO + Vd
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降到大约 40V )
(38)
N MAX = 8.3
(39)
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1-2. 计算原边峰值电流和电流采样电阻
I pk =
I pks
N
=
k × IO
N
(40)
(41)
I pk_max = 325mA
副边绕组匝数,
N
NS = P
N
(51)
N S = 12T
(52)
辅助绕组匝数,
电流采样电阻,
R CS =
0.5V
I pk
R CS ≈ 1.538Ω (Set: R CS = 1.54Ω )
(43)
N A = 44T
(44)
第三步. 选择整流管和原边开关管
3-1. 选择副边和辅助绕组的整流管
(54)
副边最大反向电压,
第二步. 设计变压器
2-1. 计算原边电感量---Lp
2P
LP = 2 O
I PK f SW η
Vdr = VO +
(45)
(55)
NP
(56)
辅助绕组最大反向电压,
Vdar = VA +
2-2. 重新计算原副边匝比---N
k ⋅ IO
(k ≈ 3.85)
I pk
Vindc_max N S
Vdr = 49.1V
(46)
L p = 1.47mH
N=
(53)
NA =
重新计算原边峰值电流,
I pk_max = 325mA
N S VA
VS
(42)
Vindc_max N A
(57)
NP
(58)
Vdar = 181.8V
(47)
3-2. 选择原边开关管
N = 8 .3
(48)
Vdc_max = Vdc_spike + Vindc_max +
2-3. 计算原边,副边和辅助绕组的匝数
VS N P
NS
(60)
Vdc_max = 520.9V
原边绕组匝数,
(59)
第四步. 选择合理的反馈电阻 R6 和 R7
L I 10 4
N p = P PK
Ae × ∆B
(49)
NP =102 N
(50)
VFB = 4V = Va ×
R 7 (设:R7=9.1kΩ,R6=36.5kΩ)
R6 + R7
(61)
设计结论
1. 计算最大原边峰值电流和 RCS
IPK=
325
RCS=
1.54
2. 设计变压器
LP=
1.47
N=
8.3
NP=
102
NS=
12
NA=
44
3. 选择整流管和原边开关管
Vdr=
49.1
Vdar=
181.8
Vdc_max=
520.9
4. 选择反馈电阻
R6=
36.5
R7=
9.1
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mA
Ω
mH(±8%)
原副边匝比
T
T
T
原边峰值电流
电流采样电阻
原边电感
原边绕组匝数
副边绕组匝数
辅助绕组匝数
V
V
V
副边最大反向电压
辅助绕组最大反向电压
原边开关管电压
kΩ
kΩ
反馈电阻
反馈电阻
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