EVLVIPER25L - 10WSB：5V/10W准谐振隔离反激式电源适配器设计与测试

在电子设备的电源设计领域，高效、稳定且符合现代标准的开关电源（SMPS）至关重要。本文将详细介绍基于VIPer25电流模式离线转换器构建的5V - 2A SMPS，即EVLVIPER25L - 10WSB准谐振隔离反激式电源适配器，深入探讨其特性、电路设计、变压器参数以及各项测试结果。

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适配器特性

电气规格

该演示板的电气规格如下表所示：	参数	符号	值
输入电压范围	V IN_AC	[90 V AC - 265 V AC ]
输出电压	V OUT	5 V
最大输出电流	I OUTmax	2 A
输出调节精度	Δ VOUT_LF	±5%
高频输出电压纹波	Δ VOUT_HF	50 mV
最大环境工作温度	T A	60 °C

电路描述

电源采用反激式拓扑结构。输入部分包含保护元件（保险丝和用于浪涌电流限制的NTC）、用于EMC抑制的滤波器（C1、T2、C13）、二极管桥（BR1）以及作为前端AC - DC转换器的电解大容量电容器（C3）。变压器使用标准E25铁氧体磁芯，Transil™钳位网络用于漏感去磁。

上电时，DRAIN引脚为内部高压启动电流发生器供电，该发生器将C4电容器充电至 (V_{DDon }) 。此时，功率MOSFET开始开关，发生器关闭，IC由C4中存储的能量供电，直到辅助绕组电压足够高，通过D1和R1维持运行。ZCD和GND引脚之间的电阻R3定义了VIPer25的电流限制，并与D2和R14一起实现过压保护功能。ZCD引脚还负责准谐振操作，作为变压器去磁感应输入触发MOSFET导通。

通过R3 - R15分压器实现线电压前馈校正功能，以补偿准谐振操作中电源电压引起的转换器功率能力变化。在轻载或无负载时，设备进入突发模式，可降低市电消耗（在265 (V_{AC}) 时小于50 mW）。输出整流器D4选用功率肖特基二极管，根据计算的最大反向电压、正向电压降和功率损耗进行选择。输出电压调节通过二次反馈实现，由TS431驱动光耦合器（PC817），确保初级和次级之间的绝缘。光晶体管直接驱动VIPer25的FB引脚，该引脚连接到由C6、C7和R12组成的补偿网络。输出端添加了一个小的LC网络，用于过滤高频纹波，同时在输出连接器焊点附近放置了一个100 nF电容器，以限制尖峰幅度。通过跳线J，BR引脚可连接到分压器以实现欠压保护，也可连接到GND。

变压器

变压器的电气特性如下表所示：	属性	值	测试条件
初级电感	1.5 mH ±15%	1 kHz测量
漏感	0.8% 标称值	10 kHz测量
初级到次级匝数比 (4 - 5)/(6, 7 - 10, 9)	12.85 ±5%	10 kHz测量
初级到辅助匝数比 (4 - 5)/(1 - 2)	5.29 ±5%	10 kHz测量
标称工作频率	60 kHz	VIPer25演示板
标称/峰值功率	10 W/15 W
饱和电流	1 A	B SAT = 0.32T
绝缘	4 kV	初级到次级

变压器的尺寸、引脚图和机械特性如图3和图4所示，引脚描述如下表：	引脚	描述	引脚	描述
5	初级，连接到直流输入电压 (400 V)	6	次级输出5 V 2 A (3 Apk)
4	初级，连接到MOSFET的漏极	7
3	移除	8	N. C.
2	辅助GND	9	次级
1	辅助输出	10	GND

测试结果

典型板波形

VIPer25在准谐振模式下运行，ZCD引脚能够检测变压器去磁，并在变压器去磁后的漏极电压振铃谷值处导通MOSFET。在满载条件下，MOSFET在整个输入电压范围内始终在变压器去磁的第一个谷值处导通，这种工作模式称为“准谐振”或“不连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）之间的边界”。图5和图6显示了在标称输入电压（115 (V{AC}) 和230 (V{AC}) ）和最大负载（2 A）下的漏极电流和电压波形，图7和图8显示了在最小和最大输入电压下相同负载条件下的波形。

在准谐振操作中，开关频率取决于输入/输出条件，随着市电电压的增加和输出负载的减小而增加。为避免在中/轻负载时频率过高（这会导致所有与频率相关的损耗增加），设备配备了频率折返功能，内部限制为136 kHz（典型值）。当转换器开关频率接近该限制时，该功能通过抑制MOSFET在第一个谷值处导通，允许在第二个或第三个谷值等导通，这种操作模式称为“谷值跳过模式”。

调节精度和输出电压纹波

在不同的线路和负载条件下测量了板的输出电压和 (V_{DD}) 引脚电压（整流辅助输出），结果如下表所示：	V IN (VAC)	无负载		半负载		满载
V OUT (V)	V DD (V)	V OUT (V)	V DD (V)	V OUT (V)	V DD (V)
90	5.02	8.4	4.98	18.5	4.98	20.2
115	5.02	8.3	4.97	18.5	4.97	20.2
230	5.02	8.2	4.97	18.2	4.97	20.5
265	5.03	8.1	4.96	18.1	4.96	20.5

输出电压实际上不受线路条件的影响， (V_{DD}) 电压随调节输出上的负载增加而增加，为避免其超过工作范围，使用了外部钳位（Dz，Rz）。还测量了叠加在输出电压上的开关频率纹波，结果如下表：	V IN (VAC)	1/10负载	半负载	满载
V OUT (mV)	V OUT (mV)	V OUT (mV)
90	45	19	50
115	46	16	38
230	48	22	28
265	48	25	27

突发模式和输出电压纹波

当负载非常低，FB引脚电压低于 (VFBbm) 内部阈值（典型值0.6 V）时，VIPer25被禁用。此时，反馈对能量输送停止的反应使FB引脚电压再次升高，当它比 (VFBbm) 阈值高100 mV时，设备重新开始开关。这种受控的开/关操作称为“突发模式”，在轻载或无负载且分别由 (115 ~V{AC}) 和 (230 ~V{AC}) 供电时，输出电压纹波、FB引脚电压和漏极峰值电流如图所示。在突发模式下，漏极峰值电流值 (ID_BM) 典型值为160 mA，这种操作模式在负载非常轻或断开时可降低与频率相关的损耗，并更容易符合节能法规。不同工作条件下突发模式频率纹波的测量值如下表所示，纹波非常低，始终低于50 mV。	V IN (VAC)	无负载 (mV)	25 mA负载 (mV)	50 mA负载 (mV)
90	24	34	38
115	23	33	37
230	22	32	38
265	21	35	39

效率

根据ENERGY STAR®平均有源模式效率测试方法，在不同输入电压下，对满载以及满载的75%、50%和25%负载进行了效率测量，结果如下表所示：	V IN (VAC)	满载 (2 A)	75%负载 (1.5 A)	50%负载 (1 A)	25%负载 (0.5 A)
90	78.00	80.60	81.33	82.83
115	80.42	82.40	82.37	82.83
150	81.95	83.16	82.46	82.34
180	82.49	83.33	82.15	81.62
230	82.63	83.00	81.17	80.33
265	82.25	82.29	80.00	79.28

有源模式效率定义为在最大负载的25%、50%、75%和最大负载本身测量的效率的平均值，计算结果如下表所示：	V IN (VAC)	效率 (%)
90	80.67
115	82.00
150	82.48
180	82.40
230	81.78
265	80.97

还报告了效率与负载的平均关系（考虑不同输入电压下的效率），如下表所示：	负载 (% of full load)	效率 (%)
100	80.93
75	81.28
50	81.02
25	82.06

ENERGY STAR计划2.0版将电源分为低压电源和标准电源两类，该电源属于低压电源类别，要符合ENERGY STAR要求，效率需高于73.37%，从测量结果来看，所有考虑的输入电压下，效率均高于推荐值。

轻载性能

在不同输入电压下测量了转换器在无负载条件下的输入功率，结果如下表所示：	V IN (VAC)	P IN (mW)
90	15
115	17
150	20
180	23
230	28
265	33

ENERGY STAR计划2.0版还考虑了电源在无负载时的功耗，符合要求的标准如下表所示：	铭牌输出功率 (P no )	无负载时AC - DC EPS的最大功率
0 to ≤ 50 watts	< 0.3 watts
> 50 watts < 250 watts	< 0.5 watts

该演示板的性能远优于要求，功耗约为ENERGY STAR限制的十分之一。此外，还报告了演示板在另外两种轻载情况下（输出负载为25 mW和50 mW）的输入功率和效率，如下表所示：	V IN (VAC)	P OUT (mW)	P IN (mW)	效率 (%)	P IN - P OUT (mW)
90	25	46	54.35	21
115	25	48	52.08	22
150	25	51	49.01	26
180	25	53	47.17	28
230	25	60	41.67	35
265	25	66	37.88	38

V IN (VAC)	P OUT (mW)	P IN (mW)	效率 (%)	P IN - P OUT (mW)
90	50	76.5	65.40	27
115	50	78	64.10	28
150	50	81	61.73	31
180	50	85	58.82	35
230	50	92	54.34	42
265	50	98	51.02	48

其他保护功能测试

包括过载保护、二次过流保护、输出过压保护、欠压保护等功能的测试，这些保护功能确保了电源在各种异常情况下的安全稳定运行。

总结

通过对EVLVIPER25L - 10WSB准谐振隔离反激式电源适配器的详细分析和测试，我们可以看到该电源在效率、轻载性能、调节精度等方面表现出色，能够满足现代SMPS的标准和要求。其采用的准谐振操作模式、多种保护功能以及合理的电路设计，为电子设备提供了稳定、高效的电源解决方案。在实际应用中，工程师可以根据具体需求对电路进行进一步优化和调整，以实现更好的性能。大家在设计类似电源时，是否也会考虑这些因素呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。