低功耗无Y电容原边调整充电器的设计

摘要

本文介绍了一款使用TI 控制芯片UCC28720 设计的5W 无Y电容充电器方案,并且介绍了一种变压器结构设计,在去除了Y 电容的情况下依然能够通过EMI 测试;同时，整机待机功耗在全电压范围内低于10mW。由于UCC2820 是专为驱动三极管设计的原边调整控制器，使得整机的成本更有优势。

1 电源方案介绍

随着智能手机以及平板电脑的普及。手机充电器的要求也越来越高。其挑战主要来源于两个方面。第一，低待机功耗。由于充电器通常都插在插座上，而且大多数时间都不在执行充电工作。但是，它们仍然会消耗电能，因而浪费了能源和用户的金钱。如何降低这些装置的待机功耗，从而节省电能、满足政府法规要求，以及为用户节省金钱，已显然是设计工程师必须面对的问题。IEC 五星级能耗要求空载时设备消耗的功率必须小于30mW。 第二，EMI 性能。由于充电器的体积非常小，成本控制严格，所以滤波器的使用受到限制, 另一方面,原副边漏电流的限制也使得越来越多的厂商采用了无Y 电容方案。这给EMI 的设计提出了极大的挑战。

本方案采用了UCC28720 控制的5V@1A 反激变换器，介绍了一种特殊的变压器结构，成功去除了Y 电容了。同时由于UCC28720 是一款原边反馈变换器，从而消除了光藕及副边反馈线路,节约了成本并提高了可靠性。 UCC28720 集成了高压启动，调频调幅两种模式，使得整个变换器的待机功耗可以在全电压范围内小于10mW，已经远远优于五星级标准。

下图是原理图。

图1. 5W无Y电容充电器原理图

1.1 待机功耗估算

电压调整控制模式下,控制器工作在调频(FM)和调幅(AM)模式,如图2 所示. 从图中可知，待机情况下，UCC28720 支持最低开关频率为680Hz;同时原边峰值电流为满载峰值电流的1/4。所以，待机功耗可作如下估算：

由于输出需要加一定的假负载来保证控制输出电压稳定，假负载一般在2mW 左右，那么整机空载功耗可以在全电压范围内做到10mW 以下。

图2. UCC28720 FM 和AM 模式图

1.2 变压器结构设计

变压器的电感量计算可以参考UCC28720 的规格书;这个不作详细介绍。详细的变压器计算可以参考SLUA604。这里只介绍本方案中的被证明的一种对EMC 有效的变压器结构。合适的变压器结构设计对适配器的效率和EMI 性能有很大的影响. 本文提供了一种经测试验证的变压器设计结构, 从而帮助去除了Y 电容，并且得到理想的EMI 结果。参见图3, 通过计算，使变压器原边恰好绕满骨架两层,然后加入一层屏蔽绕组，绕组一端接地，另一端埋在变压器内部。屏蔽绕组将原副边隔离，可以有效的降低共模干扰。屏蔽绕组的外面是副边绕组，最外层是辅助绕组，通过选择适当的线，使得辅助绕组刚好绕满一层。最后，变压器外加铜带做屏蔽，铜带需与磁芯可靠接触，然后通过导线接地，达到磁芯接地的目的。 使用此种结构的变压器，在本设计中，可以通过EMI 测试，并且有可靠的余量。[!--empirenews.page--]

图3. 变压器结构图

当然，EMI 特性跟很多因素有关，本设计中有效的变压器结构不一定适用于其它的设计，但

无论如何，都可以给后面的设计作一个参考和思路。

2 测试结果

根据以上分析和设计，制作了样机并验证其性能，实验结果如下。

2.1 效率测试

表1. 115Vac 变换器效率

表2. 230Vac 变换器效率

图中可以看出，变换器在全电压范围内，待机功耗低于10mW。

2.3 输出V-I 曲线

图5. 115V&230V V-I 曲线

由图5 所示，本方案在115Vac 输入和230Vac 输入情况下，输出电压和输出电流均在客户要求的范围之内，并且可以看到，不同输入电压时，输出电流的一致性非常好。

2.4 EMC 测试

图6. 传导测试结果

3 结论

本文分析设计了使用UCC28720 控制的原边反馈反激变换器。 找到了一种合理的变压器结构，通过了EMI 测试，完成了无Y 电容的充电器设计。给未来的无Y 电容充电器的设计提供了一种参考和思路。同时，结合UCC28720 的特点，使该方案在整个输入电压范围内的待机功耗低于10mW。