基于OB2269的高精度筆記本電源適配器

皮松濤，文定都，李學(xué)敏

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于OB2269的高精度筆記本電源適配器

皮松濤，文定都，李學(xué)敏

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

設(shè)計(jì)基于OB2269的高精度筆記本電源適配器。功率電路采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路的控制采用PFM型頻率調(diào)制控制方式，輔助電源采用晶體管有源嵌位電路，輸出電路采用變壓器單路隔離輸出，電壓反饋電路采用光耦PC817和TL431的組合結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明：本電源適配器能輸出19.3 V的穩(wěn)定電壓，功率可達(dá)100 W，效率高達(dá)78.8%，文波電壓為100 mV。本電源適配器適用于75～285 V寬電壓的交流輸入，是一種成本低、維修簡(jiǎn)單的高性能開關(guān)電源。

OB2269；開關(guān)電源；紋波電壓；PFM

0 引言

人們對(duì)電源適配器的要求越來越高，如高輸出功率、高效率、高精度等。因此，如何設(shè)計(jì)一種精度高、噪聲低、紋波小的電源適配器成為研究熱點(diǎn)。目前筆記本電源適配器的設(shè)計(jì)方案主要有以下幾種。

1）“單端反激式”（flyback）結(jié)構(gòu)[1]。此方案采用硬開關(guān)技術(shù)和傳統(tǒng)的PWM控制方式[2]，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但該方案設(shè)計(jì)的電源適配器開關(guān)噪聲和紋波都比較大，精度也不高。

2）“功率因數(shù)+反激準(zhǔn)諧振”（APFC+QR）兩級(jí)結(jié)構(gòu)。此方案采用功率因數(shù)校正技術(shù)[2]和準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)。雖然此種電源適配器比傳統(tǒng)的采用硬開關(guān)結(jié)構(gòu)的效率高，但該方案設(shè)計(jì)的電源適配器電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且在不同負(fù)載時(shí)，電路工作在不同狀態(tài)，尤其在重載時(shí)，電路工作在硬開關(guān)狀態(tài)而導(dǎo)致開關(guān)損耗大。

3）“功率因數(shù)+單端反激+同步整流”（APFC+PWM+SR）三級(jí)結(jié)構(gòu)。此方案采用了同步整流技術(shù)。雖然此種電源適配器的效率非常高，即使在重載條件下開關(guān)損耗也低，但此種結(jié)構(gòu)的電源適配器電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本高、維修難度高。

4）“功率因數(shù)+半橋軟開關(guān)+同步整流”（APFC+LLC+SR）三級(jí)結(jié)構(gòu)。此方案采用功率因數(shù)校正技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)和同步整流技術(shù)。目前，該結(jié)構(gòu)的電源適配器效率和功率是最高的，但該方案的LLC電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，LLC諧振腔電路的調(diào)試也比較困難，且輸出級(jí)有復(fù)雜的同步整流電路。因此，該方案不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，而且維修難度很大，一般只適用于特殊的高端場(chǎng)合。

為了解決上述幾種傳統(tǒng)方案存在的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于OB2269的筆記本電源適配器，并制作樣機(jī)。該電源適配器采用頻率調(diào)制型控制芯片PFM（pulse frequency modulation）。測(cè)試結(jié)果表明，該電源適配器具有高效率、低噪聲、小紋波等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，不僅生產(chǎn)成本低，而且調(diào)試和維修均比較簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)完整的獨(dú)立工作的AC/DC開關(guān)電源通常包括輸入級(jí)EMC（electro magnetic compatibility）濾波整流電路、功率級(jí)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源、電流采樣電路、反饋電路和輸出級(jí)整流電路組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是：輸入交流220 V，經(jīng)過輸入級(jí)EMC濾波整流電路后，得到310 V直流；然后經(jīng)過功率級(jí)電路、輸出級(jí)整流電路得到19.3 V直流；電流采樣電路采樣開關(guān)管峰值電流，反饋電路采樣輸出電壓值，電流采樣信號(hào)和反饋電路的電壓信號(hào)分別輸入到控制芯片的兩個(gè)不同的反饋引腳,控制芯片檢測(cè)反饋引腳上電壓值得不同頻率的PFM驅(qū)動(dòng)波形。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1.2 功率級(jí)電路和輸出級(jí)整流電路

功率級(jí)電路采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，如圖2所示。反激變壓器T1起隔離、儲(chǔ)存和傳遞能量的作用。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，反激變壓器T1的原邊繞組Np儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原邊繞組Np向副邊Ns釋放能量。R1, C1和D1組成RCD吸收回路。由于反激式拓樸結(jié)構(gòu)的電路在工作時(shí)有儲(chǔ)能過程，因此反激變壓器T1必須使用開氣隙的磁芯。如果氣隙過大，則反激變壓器T1的漏感較大，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)漏極承受的尖峰電壓很高，開關(guān)管容易擊穿；如果反激變壓器氣隙過小，則磁芯容易飽和，變壓器容易工作在非線性區(qū)，易造成開關(guān)管Q1發(fā)熱嚴(yán)重甚至過熱損壞。綜合考慮，反激變壓器T1使用開氣隙為0.3 mm的PQ3220型磁芯。

輸出級(jí)電路采用傳統(tǒng)的輸出整流電路結(jié)構(gòu)，其包括肖特基二極管D2、儲(chǔ)能電容C2以及由輸出濾波電感L1和濾波電容C3組成的LC低通濾波器。C2, C3和L1能有效濾除輸出電壓的開關(guān)噪聲。該結(jié)構(gòu)的輸出級(jí)電路成本低、可靠性高。

圖2 單端反激變換器功率級(jí)和輸出級(jí)電路圖Fig.2 The main circuit and output circuit of the flyback converter

1.3 控制電路

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，控制電路就像人的大腦，控制著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文舍棄使用傳統(tǒng)PWM芯片[5]如TL494）方法，選用PFM型芯片OB2269。OB2269是上海昂寶電子有限公司生產(chǎn)的一款高性能電流型PFM控制芯片，采用單路圖騰柱輸出，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。與傳統(tǒng)PWM方案相比，采用PFM芯片的電源在全電壓甚至更低電壓條件下更容易輸出高精度的19.3 V電壓，且系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，線性調(diào)整率更好。

控制芯片OB2269的主要特點(diǎn)如下。

1）低待機(jī)功耗。芯片OB2269是通過特別的低功率間歇工作模式來設(shè)計(jì)，不僅可以讓整個(gè)系統(tǒng)在空載狀態(tài)下輕易達(dá)到國(guó)際能源機(jī)構(gòu)最新的推薦標(biāo)準(zhǔn)，而且允許系統(tǒng)在較輕負(fù)載（1/30滿載以下）的情況下同樣具有超低耗的性能。

2）無噪聲工作?；谛酒琌B2269設(shè)計(jì)的電源在空載、輕載和滿載的情況下都不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)在任何工作狀態(tài)下都能安靜的工作。

3）更低啟動(dòng)電流。芯片OB2269 VIN/VDD啟動(dòng)電流低至4A。這可有效減小系統(tǒng)啟動(dòng)電流的損耗，縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。

4）更低工作電流。OB2269的工作電流約為2.3 mA。這可有效降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)效率。

5）內(nèi)置頻率消抖電路。這可有效抑制電路振蕩。

圖3 OB2269的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of OB2269

1.4 啟動(dòng)電路和輔助電源

啟動(dòng)電路采用晶體管有源啟動(dòng)方式。輔助電源[6]采用變壓器輔助繞組供電。啟動(dòng)電路和輔助電源電路如圖4所示。開機(jī)時(shí)，啟動(dòng)電路工作，Q2輸出11.3 V的啟動(dòng)電壓。此時(shí)，輔助電源也開始工作。輔助電源工作時(shí)，晶體管Q2由于發(fā)射極電壓Ve高于基極電壓Vb，所以Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，啟動(dòng)電路停止工作。圖4中，HV為整流后310 V直流電壓，VCC為控制芯片的供電電壓，晶體管Q2采用耐壓值450 V、最大電流500 mA的CMPTA44TR，Na為反激變壓器T1的輔助繞組，D6為15 V的穩(wěn)壓二極管，Q3能輸出14.3 V的工作電壓。

圖4 啟動(dòng)電路和輔助電源Fig.4 Starting circuit and its auxiliary supply

1.5 電流采樣電路

為了提高電流采樣精度和整機(jī)成本，舍棄了由運(yùn)放構(gòu)成的采樣電路，電流采樣電路采用兩級(jí)LC濾波。其作用是濾除采樣電阻R6上采樣電壓的尖峰。該設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且濾波效果也比較理想。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中，IC_P6為芯片的第6個(gè)引腳；R6為0.03 Ω采樣電阻；R7為磁珠，其作用是進(jìn)一步濾掉采樣電壓上的高頻尖峰。

圖5 電流采樣電路圖Fig.5 The circuit of current sampling

1.6 電壓反饋電路

電壓反饋電路采用傳統(tǒng)的光耦PC817和TL431的組合結(jié)構(gòu)[7]，如圖6所示。TL431的環(huán)路補(bǔ)償采用Ⅰ型補(bǔ)償。

圖6 電壓反饋電路圖Fig.6 The circuit of voltage feedback

圖6中，電壓反饋電路并聯(lián)在輸出級(jí)的濾波電感L1的兩端[8]。電壓反饋電路由U1, TL431, R9, R10, R11, R12, R13和C9組成。R9和R10為限流電阻；R12和R13為分壓電阻；R11和C9為TL431的補(bǔ)償電阻和補(bǔ)償電容，調(diào)整R11和C9的值會(huì)影響輸出電壓的精度；IC_P2為控制芯片的第2個(gè)引腳即電壓反饋引腳，反饋在該引腳上電壓值的變化會(huì)影響控制芯片輸出PFM波形的頻率。1.7 整機(jī)原理

整機(jī)原理如圖7所示。在功率級(jí)MOS管上和輸出級(jí)的肖特基二極管上增加了RC吸收電路。整機(jī)還設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)電路。出于保密需要，圖7中的元件參數(shù)不能顯示。

圖7 整機(jī)原理圖Fig.7 The circuit design schematic diagram

2 系統(tǒng)主要器件參數(shù)設(shè)計(jì)

電源最大輸出功率為100 W。實(shí)際輸出功率會(huì)隨筆記本電腦具體的使用狀態(tài)不同而發(fā)生變化。系統(tǒng)主要器件參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

1）反激變壓器。反激變壓器采用PQ型磁芯[9]。具體采用哪款型號(hào)由式（1）決定，即

式中：Pin為輸入功率；Kp為原邊面積系數(shù)；Ku為窗口面積系數(shù)；Kt為電流系數(shù)；ΔB為磁芯的磁通變化量，單位為T；f為開關(guān)頻率。

根據(jù)式（1），本文采用PQ3220磁芯[10]。

2）原邊匝數(shù)Np和副邊匝數(shù)Ns。原邊匝數(shù)和副邊匝數(shù)分別為：

式（2）～（3）中：Ip為原邊峰值電流；Lp為勵(lì)磁電感量；Ae為磁芯PQ3220[10]的有效截面積，其值為1.7 cm2；Vin_DC為整流后的直流電壓；D為電路工作在最穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的占空比。

反激電路工作在最穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的占空比為

式中VAD是在開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)下承受的反向電壓。計(jì)算可得，原邊Np匝數(shù)為35，副邊Ns匝數(shù)為6，輔助繞組Na匝數(shù)為5。輔助繞組輸出有效電壓約為17 V，為控制芯片供電。

3）功率開關(guān)管。圖7中，開關(guān)管Q1選用英飛凌公司900 V/8 A的FQA8N90C。

4）肖特基二級(jí)管。圖7中，D5為輸出肖特基二極管，選用200 V/10 A的MBR10200。

3 樣機(jī)測(cè)試和結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的樣機(jī)如圖8所示。圖8中左上角的工頻電感是被動(dòng)PFC電感[11]，在實(shí)際電路中串聯(lián)在輸入級(jí)EMC輸入級(jí)濾波整流電路。測(cè)試用的電腦為富士通筆記本，其標(biāo)配適配器的輸出電壓為19.3 V，綠色指示燈顯示電腦正在充電，如圖9所示。

圖8 樣機(jī)圖Fig.8 Photos of the prototype

圖9 樣機(jī)測(cè)試圖Fig.9 Testing of the system

電源在1.5 A續(xù)航，輸出功率為30 W時(shí)，開關(guān)管Q1的PFM驅(qū)動(dòng)波形和漏極電壓Vds波形如圖10所示。圖中，CH1為PFM波形，CH2為漏極電壓Vds波形。由圖可知，系統(tǒng)工作頻率為22.7 kHz，導(dǎo)通時(shí)間為7s，占空比為11%，電源工作在深度斷續(xù)模式（discontinuous conduction mode，DCM）。

圖10 開關(guān)管PFM波形和Vds波形Fig.10 The waveform of PFM and Vds

電源在3.3 A充電，輸出功率為70 W時(shí)，開關(guān)管PFM波形和漏極電壓Vds波形如圖11所示。圖中，CH1為PFM波形，CH2為漏極電壓Vds的波形。由圖可知，系統(tǒng)工作頻率為30 kHz，導(dǎo)通時(shí)間為7s，占空比為1 8%，電源工作狀態(tài)接近于臨界模式（boundary conduction mode，BCM）。

圖11 開關(guān)管PFM波形和Vds波形Fig.11 The waveform of PFM and Vds

由圖10～11可知，不同負(fù)載條件下，開關(guān)管D1的導(dǎo)通時(shí)間均為7s，驅(qū)動(dòng)波形的占空比D和頻率均發(fā)生了變化。

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電源采用二階LC濾波電路，抑制采樣電壓尖峰。經(jīng)二階LC濾波后采樣電阻的電壓波形如圖12所示。圖中，CH1為經(jīng)過二階LC濾波后輸送到控制芯片的采樣電壓信號(hào)，CH2為采樣電阻R6上的電壓信號(hào)。由圖可知，二階LC濾波電路能有效削減采樣電壓尖峰，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 經(jīng)二階LC濾波后采樣電阻的電壓波形圖Fig.12 Voltage waveform of the sampling resistor after second filtering

與市面上絕大多數(shù)電源適配器相比，本課題組所設(shè)計(jì)的電源適配器具有精度高、開關(guān)噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。為了直觀反映本電源的優(yōu)點(diǎn)，本課題組測(cè)試了樣機(jī)和筆記本電腦的原裝適配器。在滿載3.3 A時(shí)，輸出波形如圖13所示。圖中，CH1為筆記本電腦的原裝適配器的輸出波形，CH2為樣機(jī)的輸出波形。由圖可知，樣機(jī)的開關(guān)噪聲的峰峰值僅為100 mV，遠(yuǎn)低于原裝適配器的峰峰值360 mV。

圖13 樣機(jī)與原裝適配器的輸出電壓對(duì)比圖Fig.13 The output voltage of the sample compared with the original supply

在續(xù)航模式和充電模式下測(cè)得各參數(shù)數(shù)值如表1所示。本文設(shè)計(jì)的電源適配器采用了大電感量的被動(dòng)PFC電感，整機(jī)效率最高可達(dá)78.8%。

表1 在續(xù)航模式和充電模式下參數(shù)數(shù)值Table 1 Parameters in the life mode and the charging mode

4 結(jié)語

本課題組設(shè)計(jì)了基于OB2269的筆記本電源適配器。該電源能提供高精度、穩(wěn)定的19.3 V電源，開關(guān)噪聲低，峰峰值在100 mV。通過樣機(jī)和原裝電源適配器的測(cè)試分析可知，本文設(shè)計(jì)的電源適配器的輸出電壓精度明顯高于原裝電源適配器，且其成本低，易于調(diào)試和維修，具有較好的推廣價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

A Design of OB2269-Based High-Precision PC Power Adapter

PI Songtao，WEN Dingdu ， LI Xuemin
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A high-precision PC power adopter based on PFM control chip OB2269 has been designed. The power adapter adopts the fly-back topology structure, with PFM control its frequency modulation control mode, with the transistor active block circuit its auxiliary supply, with the isolated single output its output circuit, and with the composite structure of PC817 and TL431its voltage feedback circuit. The test results show that the PC power adapter of this design can output the high-precision 19.3 V, with its the power up to 100 W, with its efficiency as high as 78.8%, and with its ripple voltage 100 mV. The PC power adapter, low in production cost, simple in maintenance but high in performance, can also find its application in 75～285 V AC input voltage.

OB2269；switching power supply；ripple voltage；PFM

TP303.3

A

1673-9833(2016)05-0045-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.010

2016-07-07

湖南省教育廳科研基金資助項(xiàng)目（15C0393）

皮松濤（1985-），男，湖北松滋人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail：287595417@qq.com