基于高性能、副边检测电源芯片CR5249_12V1.5A适配器方案

思睿达小妹妹

4 [% m! T9 T0 f# l# b! L
本文，我们将介绍的是CR5249_18W 电源适配器解决方案。
8 b+ [1 O. E3 j) u& c) J3 l9 B
- ]! h" r% ^; e( v, U7 n4 E( e01、样机介绍
8 X& \* A8 B  c  L& K: A3 v
该报告是基于能够适用于宽输入电压范围，输出功率18W，恒压输出的电源适配器样机，控制IC 采用了本公司主推的CR5249。
6 S* Z# S$ n4 f- I2 z# ]! J

CR5249_12V1.5A 工程样机示意图

CR5249
5 R1 F7 c2 M3 i. K/ U. F
CR5249是一款高性能的电流控制型PWM开关，全电压范围内待机功耗小于75mW，满足能效六标准。为了减少待机功耗和提升效率，CR5249集成了多种工作模式。随着负载的变化，CR5249可以工作在三种不同的模式，并且每种模式都做了优化。当负载很重时，系统工作在传统的PWM（脉冲宽度调制）模式。当负载变轻时，系统进入PFM（脉冲频率调制）模式。在PFM模式下，随着负载的逐渐变轻，开关频率也逐渐的减小。CR5249中独有的频率变换模块可以使开关频率平滑降低而不产生噪声。由于频率的降低，开关损耗也被有效的减小了。当负载继续降低而低于某一设定值时，系统进入PSM（跳频调制）模式。在PSM模式下，一些开关周期被跳过，这些周期内开关管完全关断，因此这种模式可进一步降低待机功耗。在上述的三种工作模式下，都集成了频率抖动功能，来提升系统的EMI特性。

7 q2 i: q0 Y2 j, ~芯片还集成了最大输出功率动态补偿模块，从而保证系统在全电压交流输入范围（90V~264V）内最大输出功率点恒定。

9 O, P/ o6 s$ v3 f& E+ |2 p. GCR5249集成了多种功能和保护特性，包括欠压锁定（UVLO），VDD过压保护（OVP），软启动，过温保护（OTP），逐周期电流限制（OCP），过载保护（OLP），SENSE引脚悬空保护，GATE端箝位，前沿消隐等。
  i) ?! K; z0 ~: ^, C% K
芯片特性
' T7 |" m9 S6 m
● CR5249 是DIP8 封装的新型反激功率开关
● 内置软启动，减小MOSFET 的应力，内置斜坡补偿电路；
0 K3 e! i1 F7 R, d0 }' P● 65kHz 开关频率，具有频率抖动功能，使其具有良好的EMI 特性；
( e1 E# j- N9 f9 h! R● 264VAC 输入待机功耗:<75mW；
● 具有“软启动、OCP、SCP、OTP、OVP 自动恢复等保护功能；
- A6 Y; b9 u3 {2 L$ g# e8 ?● 电路结构简单、较少的外围元器件，适用于小功率AC/DC 电源适配器、充电器。
● 能效满足DOE Ⅵ 和CoC V5_T2 要求

" |" u8 _" N: ?* s% T基本应用

● 电源适配器
7 t6 v4 ^- D0 K. _● 开放式电源
) ^2 j1 r2 c2 T3 ]. `% u  _! M' W● 数码相机和摄像机电源
4 T2 v0 h; J, Q0 \$ p, T# F● 电脑和服务器辅助电源
- J" C- B- k; k# ]8 q● 机顶盒电源
+ I4 K( a. y0 h' b2 `+ Z● 掌上电脑电源

. Z% H/ G( U" k6 t+ N, b; y引脚分布

引脚描述

典型应用
, B- A. e% a1 V7 i$ f

: y0 C* G7 v  W样机PCBA尺寸：66*39*24mm，是一款全电压实现12V1.5A输出的电源适配器。90VAC满足启动时间的条件下，实现AC264V样机待机功耗仅为72mW；全电压输入时平均效率>86.43%；输出接22AWG1.5米线能够满足最严格的“COC_V5_T2” 能效标准。
% n( f1 V/ x2 l! n
样机具有良好的动态负载能力；同时具有“软启动、OCP、SCP、OVP、OTP自动恢复”等多种保护功能。

样机的变压器，采用了EE19W加厚磁芯（PC40材质）。变压器绕制工艺部分，请见后文详细说明。
% I' T) ?9 I( D
$ S8 A8 U  q/ H; B7 k' @( y. t02、样机特性
, ^5 ~5 N% j- E( w1 k& d' o  x& l
以下表格为工程样机的主要特性，具体测试方法在第4 章节中有详细说明。
% `8 i. |- G2 c) T0 B  D
. A' G0 V4 @& i2 G& A2.1、输入特性：

; ^0 O6 o# O& y, G" `+ a  e2.2、输出特性(PCB END)：
* O3 e# i( @( O( m/ I6 k. ]

7 F" B1 i( M5 ?. w, @/ E% u  E2 E2.3、整机参数：

3 Z" {5 ^' l0 }! Z2.4、保护功能测试：
, d. s4 Y8 w5 F. ^" U) A

. p4 H. L3 A8 B  a) n2.5、工作环境：

# F! n3 G4 p) r2.6 测试仪器：

03、样机结构信息

本小节展示了工程样机的电路、版图结构，变压器结构及工艺。
% G7 c/ }1 Q' w6 t6 u* i8 |. r4 I
3.1、电路原理图及BOM：

% \5 R/ V' t7 Y6 T& q% I+ N7 f3.1.1 原理图：
) s2 n9 v0 q9 r

2 `" s9 H5 d& o0 U3.1.2、元器件清单：
. t6 M  [1 O6 U+ L* j( f

5 M9 m$ L( _  s; R4 ~9 N  t* c3.1.3、PCB 布局&布线：
. @' P) {5 s) N
. l5 |9 l& v/ \, ]+ Q

PCB 顶层布局

PCB 底层布局

PCB 底层布线

3.2、变压器绕制工艺：
, v& v( [4 B- c1 z
3.2.1、电路示意图：
5 z0 p5 ?8 U+ P7 u3 R1 c& H

3.2.2、规格参数：

1）骨架：EE19W 磁芯加厚立式（5+5PIN）,Ae＝46mm²；
2）材质：TDK PC40 或同等材质；
3）N1、N2: 2UEW 漆包线；N3: 三层绝缘线；
1 I7 a. N' t3 b4）次级绕组从变压器顶端进出线，磁芯接地
5）绝缘胶带:3M900 或同等材质；
6）初级绕组感量Lp：1.8mH±5%（测试条件：0.3V，10kHz）；
4 w% F2 r/ S# _5 [; N  T7）漏感量LLK：要求控制在初级绕组的5%以内(测试条件：0.3 V，10kHz）)；
8）耐压测试= 3.3KV 5mA 1Min；
9）成品要求:浸凡立水；

2 Y0 g1 y. i- P& F, e4 O! m3.2.3、变压器参数:
% P0 w# J4 F8 M4 r3 R" }% t* P9 }

3.2.4、变压器结构图：
  U# t2 a* i2 r0 c& ]2 J) H9 t

04、性能测评

本小节对工程样机的输入部分、输出部分、各种保护以及一些时序进行了测试，以下详解了测试方法及结果。从测试结果来看，以下各项测试均合格，能够满足大部分客户的要求。
: u! a0 v  \' }+ c
4.1、输入特性：
/ y9 ~! q2 `; S4 M* t* B! u6 e2 f- {
2 D, ~0 A/ ^" C, H) d2 R- u本模板经过在不同的输入电压(从90V/60Hz 到264V/50Hz)和不同负载条件（空载和满载）下测试，得到待机功耗、效率及平均效率。

$ |1 I9 w6 k2 m9 n( y7 W/ D表1 待机功耗
3 Z2 {' L; r9 Z3 L* m" n5 |

) H* x7 k9 ^; b- D6 u3 G
表2 输出100%负载下的输入特性

) @' K! `2 A- n. E
: q' T% `" m$ u8 ]$ P$ l, |表3 效率测试（1.5M 22AWG Cable）

( X0 E8 ]! ]/ ~7 w( m! [' j
- e; E% `% `7 V8 V+ [' d; B! Q表4 效率测试（PCB END）
. ]# V2 u- f. E4 S+ V& t. E

1 _* ~  k0 n( R2 x) D# K5 x2 h表5 能效等级评估（1.5M 22AWG Cable）
0 H/ Y! ?. h9 C0 }$ L1 L- `3 u) Z

& j7 j2 d- X- z3 V9 U4.2、输出特性：
2 W- A' u5 h+ Y) ~: _$ l
$ e0 S% k" K" Y* Q4 x4.2.1 线性调整率和负载调整率: （ PCB END ）
6 J) }7 o# f* i' u+ G

. b& d" v  q6 T: k& E
3 Q( @- _5 k: P) s4.2.2、输出电压纹波：

注：纹波及噪声在1.5M 22AWG 处测试，测试端并联0.1uF/50V 的瓷片电容和10uF/50V 电解电容，带宽限制为20MHz。

9 l2 {  P! ^* {+ m( n8 m9 [

R&N @ AC90V/60Hz,No Load

R&N @ AC90V/60Hz,100% Load

R&N @ AC264V/60Hz,No Load

2 p1 j) d" l: Q" U  `

R&N @ AC264V/60Hz,100% Load

1 `$ h# O, g) u" S$ C" o4.3、保护功能：
# X  E3 M  C: o% i) U! A/ B
以下涉及过流保护、短路保护的测试。

4.3.1、过流保护：
; ^+ ]7 U, V. s" e6 R6 M

4.3.2、短路保护：

8 Y* _4 B, s% E& S$ {6 v' {功率计电流量程2.5A,开启平均值模式测量。
/ J5 _$ y" N5 D7 y4 k; K

4.4、系统温升测试
7 N# `, n% g( J  [3 e1 a: v
, V6 D7 x+ v8 G4 |9 E$ C% n' ]本项测试评估成品样机（含配套塑料外壳）在40℃环境温度下长时间工作时关键器件的稳态温度值。测试条件：输入电压分别为90V~264V，输出电流1.5A。

' F( Q; C% }; r  F. l! S  h

测试样机及配套外壳

, V) n5 D9 q: ^) u* A: i) |

4.5、动态测试：
/ J1 @9 k  w. `: ~
5 j- d- F5 h: Y, j3 g; o输出动态负载电流设置为1.5A 持续5ms/10ms，然后为0A 持续5ms/10ms 并持续循环，上升/下降设置为3A/us。(1.5M 22AWG Cable)

AC90V 5ms

, y% ]+ K$ T1 N/ i, i& P- ?

AC90V 10ms

( \# G; \  I" y

AC264V 5ms

7 B' W, T4 `+ N+ ^7 \0 A1 @

AC264V 10ms

6 L5 L/ F$ h4 w, R4.6、系统延时时间测试：

- e" s. f! \! n9 `5 c

TON_DELAY @ AC100V，100% Load

TON_DELAY @ AC240V，100% Load

THOLD_UP @ AC100V，100% Load

2 w: Q' B4 _% O0 A

THOLD_UP @ AC240V，100% Load

! @2 U9 Q8 Z2 x# o& `2 `7 X4.7、其它重要波形测试：

DRAIN（蓝色）端、CS（红色）端波形图：

AC90/60Hz，100% load

AC115/60Hz，100% load

& y% d0 U) n) B3 D6 B

AC230/50Hz，100% Load

5 K7 O5 d3 X' T8 [4 ~

AC264/50Hz，100% load

8 E' Z6 ]% j: B6 a+ v其他波形测试

AC264/50Hz，100% load 输出肖特基电压

AC264/50Hz，输出短路，VDS VCS 波形

05、EMI 评估测试测试条件：

输入：AC115V-60HZ/230V-50Hz；
输出负载50W 8Ω大功率电阻；
1 p0 q0 |- x4 I; U& V4 E7 h限值标准参考：EN55013、EN55022B。（辐射测试结果仅供参考）

9 O$ N" C: B; a9 R- A9 r

AC115V/60Hz 传导L 相

AC115V/60Hz 传导N 相

9 J1 O2 I1 }# q

AC230V/50Hz 传导L 相

( G( Z: ?. H( N: C! M. C! E- ]# [

AC230V/50Hz 传导N 相

AC115V/60Hz 辐射测试

/ R9 l/ l) a  x( t7 @

AC230V/50Hz 辐射测试