低功耗無Y電容原邊調整充電器的設計

本文介紹了一款使用TI 控制芯片UCC28720 設計的5W 無Y 電容充電器方案,并且介紹了一種變壓器結構設計,在去除了Y 電容的情況下依然能夠通過EMI 測試；同時，整機待機功耗在全電壓范圍內低于10mW。由于UCC2820 是專為驅動三極管設計的原邊調整控制器，使得整機的成本更有優勢。

1 電源方案介紹

隨著智能手機以及平板電腦的普及。手機充電器的要求也越來越高。其挑戰主要來源于兩個方面。第一，低待機功耗。由于充電器通常都插在插座上，而且大多數時間都不在執行充電工作。但是，它們仍然會消耗電能，因而浪費了能源和用戶的金錢。如何降低這些裝置的待機功耗，從而節省電能、滿足政府法規要求，以及為用戶節省金錢，已顯然是設計工程師必須面對的問題。IEC 五星級能耗要求空載時設備消耗的功率必須小于30mW。 第二，EMI 性能。由于充電器的體積非常小，成本控制嚴格，所以濾波器的使用受到限制, 另一方面,原副邊漏電流的限制也使得越來越多的廠商采用了無Y 電容方案。這給EMI 的設計提出了極大的挑戰。

本方案采用了UCC28720 控制的5V@1A 反激變換器，介紹了一種特殊的變壓器結構，成功去除了Y 電容了。同時由于UCC28720 是一款原邊反饋變換器，從而消除了光藕及副邊反饋線路,節約了成本并提高了可靠性。 UCC28720 集成了高壓啟動，調頻調幅兩種模式，使得整個變換器的待機功耗可以在全電壓范圍內小于10mW，已經遠遠優于五星級標準。

下圖是原理圖。

圖1. 5W無Y電容充電器原理圖

1.1待機功耗估算

電壓調整控制模式下,控制器工作在調頻(FM)和調幅(AM)模式,如圖2 所示. 從圖中可知，待機情況下，UCC28720 支持最低開關頻率為680Hz；同時原邊峰值電流為滿載峰值電流的1/4。所以，待機功耗可作如下估算：

由上式可得，待機功耗的大小跟變壓器電感量大小，變換器具體的峰值電流無關，只與設計的最高工作頻率與芯片最低工作頻率比以及最大設計峰值電流和最小峰值電流比有關。根據芯片規格書得：

本次設計中，輸出功率為5W，最大開關頻率設計為70KHz. 所以，可以計算得，理論待機功耗為：

由于輸出需要加一定的假負載來保證控制輸出電壓穩定，假負載一般在2mW 左右，那么整機空載功耗可以在全電壓范圍內做到10mW 以下。

圖2. UCC28720 FM 和AM 模式圖

1.2變壓器結構設計

變壓器的電感量計算可以參考UCC28720 的規格書；這個不作詳細介紹。詳細的變壓器計算可以參考SLUA604。這里只介紹本方案中的被證明的一種對EMC 有效的變壓器結構。合適的變壓器結構設計對適配器的效率和EMI 性能有很大的影響. 本文提供了一種經測試驗證的變壓器設計結構, 從而幫助去除了Y 電容，并且得到理想的EMI 結果。參見圖3, 通過計算，使變壓器原邊恰好繞滿骨架兩層,然后加入一層屏蔽繞組，繞組一端接地，另一端埋在變壓器內部。屏蔽繞組將原副邊隔離，可以有效的降低共模干擾。屏蔽繞組的外面是副邊繞組，最外層是輔助繞組，通過選擇適當的線，使得輔助繞組剛好繞滿一層。最后，變壓器外加銅帶做屏蔽，銅帶需與磁芯可靠接觸，然后通過導線接地，達到磁芯接地的目的。 使用此種結構的變壓器，在本設計中，可以通過EMI 測試，并且有可靠的余量。

圖3. 變壓器結構圖

當然，EMI 特性跟很多因素有關，本設計中有效的變壓器結構不一定適用于其它的設計，但無論如何，都可以給后面的設計作一個參考和思路。