5V1A solution using AP3768(1)

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\nAP3768 的 5V/1A 方案\n\nBCD 半导造有限公司 2009 年\n\n报告摘要 规格 应用\n\n85~265Vac, 5V/1A 移动充电器、小功率适配器 无需光耦的原边控制(PSR)方案 在脉冲频率调制工作模式下可满足能源之星 EPS 2.0 标准且余量高于 3% （>68.17%） 在全温范围内带有 1.8m AWG26 输出导线的情况下，可达到 3%恒压调整率， 100mA 恒流调整精度 230Vac 时空载输入功率为 24.6mW\n\n主要特性\n\n可调的输出导线电压降补偿功能以补偿不同线径和长度的导线所引起的压降 符合 EN55022 Class B 且有 6dB 余量 符合 IEC 61000-4-5 雷击浪涌 符合 8kV ESD—接触放电 符合 15kV ESD—空气放电 可靠性高，具有多重保护功能。例如：软启动，开路保护，短路保护 经济实用又完整的电源方案\n\nVersion 1.2\n\n1\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n目录\n1. 概述 ........................................................................................................................................ 4 2. 规格 ........................................................................................................................................ 5 3. 原理图 .................................................................................................................................... 6 4. 电路说明 ................................................................................................................................ 6 4.1. 交流输入滤波器 ............................................................................................................ 6 4.2. 功率变换 ........................................................................................................................ 6 4.3. AP3768 相关电路 ........................................................................................................... 7 5. BOM 和变压器设计规格...................................................................................................... 7 5.1. BOM ................................................................................................................................ 7 5.2. 变压器规格 .................................................................................................................... 8 5.2.1. 电路图 ............................................................................................................... 8 5.2.2. 电气规格 ........................................................................................................... 8 5.2.3. 材料 ................................................................................................................... 9 5.2.4. 变压器绕制图 ................................................................................................... 9 5.2.5. 变压器结构 ....................................................................................................... 9 6. PCB 布线 ............................................................................................................................. 10 7. 电气特性 ...............................................................................................................................11 7.1. 工作效率 .......................................................................................................................11 7.2. 输出 I-V 曲线和调整率................................................................................................11 7.3. 空载输入功率 .............................................................................................................. 12 8.关键工作波形 ...................................................................................................................... 13 8.1. 输出纹波电压 .............................................................................................................. 13 8.2. 功率管集电极电压 ...................................................................................................... 14 8.3. 启动特性 ...................................................................................................................... 15 8.3.1. 输出电压上升时间 ......................................................................................... 15 8.3.2. 输出启动时间 ................................................................................................. 16\nVersion 1.2 2\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n8.4. 短路保护模式下 13003 的 Vb .................................................................................... 16 8.5. 肖特基整流管波形 ...................................................................... 错误！未定义书签。 9. EMI 测试结果 ..................................................................................................................... 17 9.1 传导 EMI ....................................................................................................................... 17 9.2 辐射 EMI ....................................................................................................................... 18\n\n10. 测试报告总结................................................................................................................... 19\n\nVersion 1.2\n\n3\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n1. 概述\n本报告介绍了适用于手机充电器或类似产品的宽输入电压、5W 输出，恒压/恒流电源。本设计基于 BCD 新开发的第二代原边调整控制器(Primary Side Regulation, PSR)-AP3768。它的机械尺寸是 50mm 长, 35 mm 宽，16mm 高。\n\n图 1. 5V/1A 演示板的照片(顶视图和底视图)\nAP3768 是一个高性能的 AC/DC 电源控制芯片，用于经济实用型电池充电器和适配器。作为 BCD 第二 代 PSR 系列产品之一，AP3768 采用了零启动电流技术。使用了 AP3768 的充电器无须任何外部电路就能达 到空载输入功率小于 30mW 的 5 星级标准。它可以同时满足非常严格的恒压和恒流要求而无需光耦和次级 控制电路。同时，在省略环路补偿电路的情况下依然可以保持系统稳定。由于采用了独有的随机频率抖 动技术，AP3768 具有很好的 EMI 特性。 内置可调输出导线电压降补偿功能使得 AP3768 方案具有优越的恒压调整能力，可以精确补偿不同线 径和长度的导线所造成的电压降。与传统的脉冲宽度调制控制技术相比，这个芯片不仅采用了原边电流 固定的脉冲频率调制(PFM)技术，而且应用了 BCD 独创的超轻载非线性补偿技术以实现高精度 CV 调整。 PFM 控制和超低的空载输入功率使 AP3768 具有轻载效率高的优点， 同时使得采用 AP3768 设计的充电器能 够轻松地通过能源之星 EPS 2.0 和欧盟 CoC 的工作效率标准。此外，CC 调整是通过固定的副边肖特基整 流管导通与关断时间比来实现的。详细的工作原理可参见 AP3768 数据表。 AP3768 由 5V 电源，CV 反馈和逻辑电路，固定峰值电流设置电路，前沿消隐电路(leading edge blanking)，BJT 优化驱动电路，可调的导线压降补偿电路，过压/开路保护(OVP/OCkP)电路，用于 CV 和 CV 频率调制的 PFM 控制器组成。 通过内置软启动、过压保护、开路保护和短路保护功能，无须额外的元件和成本，AP3768 在非正常 状态下也具有极高的可靠性。 本文档包含电源规格书、原理图、BOM(Bill of Materials)和变压器结构、PCB 布线图和关键性能特 性，包括详细测试数据和波形。\n\nVersion 1.2\n\n4\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n2. 规格\n描述\n输入\n\n最小\n\n典型\n\n最大\n\n单位\n\n条件\n\n输入 频率 空载输入功率\n输出\n\n85 47 50/60\n\n2 63 150\n\nVAC Hz mW\n\n输出电压 输出纹波电压 输出电流 输出功率(Pno) 输出启动时间 输出电压上升时间\n效率\n\n4.75\n\n5.0\n\n5.25 150\n\nV mVpp mA W 20M 带宽\n\n1000 5\n\n1200\n\n5 20\n\nS mS\n\nPno25%, 50%, 75%和 100%时 平均效率(EPS 2.0)--注释 1 EMI 雷击浪涌测试 ESD 测试\n\n68.17\n\n%\n\n以 1.8m AWG 24 线测试\n\n通过 EN55022 B 级，6dB 余量 IEC61000-4-5 3级\n\nIEC6100-4-2 4 级\n\n注释 1: 能源之星 EPS 2.0 平均工作效率标准计算如下：\n\n表 1. EPS 2.0 工作效率标准 低压模式 (铭牌 Vo<6V 和 铭牌 Io≥550mA) 标准模式\n\n1采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n3. 原理图\n\n图 2. 5V/1A 电源方案原理图\n\n4. 电路说明\n本电源采用 AP3768 实现原边调整反激变换器。 4.1. 交流输入滤波器 交流电压经 D1 到 D4 整流。EC1, L1, L2 和 EC2 组成一个 π 滤波器用以衰减差模 EMI 噪声得到良好 的 EMI 性能。其中 L1 主要用于中等频率的 EMI 噪声(低于 1M)，L2 具有良好的高频性能以过滤高频 EMI 噪声。R1 用来输入浪涌电流，同时也作为重大故障保护用保险丝。 4.2. 功率变换 在反激变换的主电源结构中，变压器通过 BJT 功率管 Q1 的开关实现励磁（磁化）和消磁。因此，将 原边的直流电压通过 T1 的副边绕组变换成交流电压。由 R11, D5, R7 和 C2 组成的吸收电路通过 Q1 集电极上的尖峰电压和降低 Q1 的 Vce 的电压上升率（dv/dt）和关断期间漏电流的电流上升率（di/dt） 来获得良好的 EMI 特性。由于 AP3768 内部采用优化的驱动电路，使得 Q1 集电极上最大的允许峰值电压 为 Vces，这样就可以选用 400V Vceo 和 700V Vces 的通用双极型三极管。 整流输出电路由肖特基二极管 D8 和两个电解电容 EC3 和 EC4 组成。假负载 R15 将输出电压和空载输 入功耗控制在允许的范围内。R14 和 C7 组成的 RC 吸收电路抑制肖特基二极管 D8 上的尖峰电压从而降低 辐射 EMI 噪声。\n\nVersion 1.2\n\n6\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n4.3. AP3768 相关电路 一个公共绕组用来提供芯片供电电压和 CV 反馈检测电压。在 CV 反馈网络中，R9a、R9b 和 R10 需选 用 1%精度的电阻。 D6、R18 和 EC5 组成 AP3768 的偏置电源。为了确保 Q1 获得良好的驱动效果，EC5 要 尽可能地靠近 Vcc 脚放置。 R1 和 R6 组成启动电阻，考虑到合理的启动时间和确保低压稳定启动，推荐这两个电阻值之和为 10M 到 13M。反激电路的原边峰值电流由 1%精度的电流采样电阻 R2、R3 设定。R17 与 R4 的比例取决于用于消 除交流输入电压造成的 CC 波动的补偿量。 偏置电流由 R5 设定并决定了 AP3768 的驱动能力，即，较低的 R5，对 Q1 有较强的驱动能力。通常， 推荐使用 240k 到 200k 的电阻以满足 3W 到 6W 的应用。 作为导线压降补偿电路的一部分，用 C3 组成一个转换交流电压控制时间 Ton（肖特基整流管的导通 时间）信号的低通滤波器，反映不同的输出负载下反馈电压的变化。通常，推荐使用 0.22µ到 1µ的陶瓷 电容。 用来调整补偿电压以适应不同线径和长度的导线所造成的电压降。 R8 补偿电压随着 R8 电阻值的减 小而增加。但是考虑到 CPR 脚吸收电流的，R8 的电阻值建议大于 10K。在更换 R8 后，反馈电阻 R10 可能也需要略微的调整以保持相同的电压输出精度。\n\n5. BOM 和变压器设计规格\n5.1. BOM 项目 EC1,EC2 EC3,EC4 EC5 C3 C7 C2 D8 D1,2,3,4,5 D6 Rf1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8、R10 描述 4.7uF 400V 85℃ 8×12, Electrolytic 470uF 16V 105℃ 6×11, Low ESR, Electrolytic 2.2uF 50V 105℃ 5×11, Low ESR, Electrolytic 0.47uF 50V 0603 10%, Ceramic X7R 1nF 50V 0805 10%, Ceramic 1nF 1KV 10%, Ceramic APT360 DO-15, BCD Schottky Diode 1N4007 DO-41, Rectifier Diode FR103/7 DO-41, Fast Recovery Diode 10ohm,2W, surge 2kV, Fuse resistor 1R8 6.8 10k 200k 3M 200k 33K 1206 1206 0603 0603 0805 1206 0805 1%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 数量 2 2 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1\n\nVersion 1.2\n\n7\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\nR9a R14 R15 R18 R11 R1 R15R17 L1 L2 Q1 T1 U1 5.2. 变压器规格 5.2.1. 电路图 10.5K 100ohm 5.1kohm 5.1ohm 100ohm 5.6Mk 20M 1mH 2.2uH 0805 0805 0805 0805 0805 1/4W 1/4W 1w 0410 1%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 5%, resistor 10%, Ferrite Core 10%, Ferrite Core 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1\n\nAPT13003E, TO-126, BCD Power BJT EE16 5+5 PIN 1.4mH 8%, Transformer\n\nAP3768, SOP-8, BCD’s IC\n\n图 3. 变压器电路图\n5.2.2. 电气规格 原边电感量 原边漏感量 电气强度 脚 1-2，其它全部绕组开路，测试频率 1kHz, 0.4VRMS 脚 1-2，其它全部绕组短路，测试频率 10kHz, 0.4VRMS 60 秒, 60Hz, 从脚 1-5 到脚 6-10 1.40mH,±8% 50µH(最大) 3750Vac\n\nVersion 1.2\n\n8\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n5.2.3. 材料 项目 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 磁芯：EE16, PC40 或等同的 骨架：EE16, 卧式, 10 脚, (5/5) 漆包线: ø0.3mm, 用于内层线屏蔽绕组 漆包线: ø0.17mm, 用于原边绕组 漆包线: ø0.17mm, 用于辅助绕组 漆包线: ø0.17mm, 用于中间层屏蔽绕组 3 层绝缘线: ø0.45mm，用于副边绕组 绝缘胶带: 0.05mm 厚, 8.0mm 宽 胶水: DELO AD5\n\n描述\n\n5.2.4. 变压器绕制图\n\n图 4. 变压器绕制图\n5.2.5. 变压器结构 绕线顺序：从骨架的中间插脚开始。原边置于骨架的左手边，副边置于骨架的右手边。各绕组绕 线方向相同，都为顺时针绕制。 WD 1 线屏蔽 绝缘层 从 3 脚开始。从左到右 ø0.3mm 线绕 25 圈。终点线头浮空。紧密均匀绕制。 1 层绝缘胶带[8]，0.05mm 厚, 8.0mm 宽。\n\nWD 2 从 2 脚开始。从左到右 ø0.17mm 线绕[4] 40 圈。在另一层从右到左再绕 40 圈。再后的 40 原边绕组 圈从左到右绕制。在 1 脚结束。紧密均匀绕制。 绝缘层 1 层绝缘胶带[8]，0.05mm 厚, 8.0mm 宽。\n\nWD 3 从 5 脚开始。ø0.17mm 线[5]从左到右双线绕 20 圈。在另一层从右到左再绕 16 圈。在 3 辅助绕组 脚结束。紧密均匀绕制。\n\nVersion 1.2\n\n9\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n绝缘层 WD 4 线屏蔽 绝缘层\n\n1 层绝缘胶带[8]，0.05mm 厚, 8.0mm 宽。 从 3 脚开始。ø0.17mm 线[6]从左到右绕 6 圈。终点线头浮空。紧密均匀绕制。 3 层绝缘胶带[8]，0.05mm 厚, 8.0mm 宽。\n\nWD 5 从 10 脚开始。ø0.45mm 三层绝缘线[2]从右到左绕 11 圈。在 8 脚结束。紧密均匀绕制。 副边绕组 绝缘层 粘接 2 层绝缘胶带[8]，0.05mm 厚, 8.0mm 宽。 胶水[8]黏结磁芯和骨架。\n\n6. PCB 布线\nPCB 布线规则强调如下: 1. 2. 3. 4. 缩短由输入电容、变压器原边绕组、功率管 Q1、电流采样电阻 R2 组成的环路以得到较好的 EMI 特性。 减小 R-RCD 钳位吸收电路和输出整流环路面积以得到较好的 EMI 特性。 电源地和信号地应该单点连接。变压器的地最好先连接电容地，再和 IC 的地连接，以确保通 过 ESD 测试。 EC5 应该尽可能地靠近 AP3768 的 Vcc 脚。\n\n图 5. 印刷电路板布线图\n\nVersion 1.2\n\n10\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n7. 电气特性\n除特别说明外，所有的测试结果在室温。\n\n7.1. 平均工作效率 本充电器设计通过了能源之星 EPS 2.0 版平均工作效率的标准。由于电源的铭牌标识为 Vo<6V 和 Io>550mA，工作效率按低电压模式的公式计算为 68.17%。\n\n表 2. 平均工作效率\n满载% PCB 板端 效率 (%) 115Vac 74.1% 230Vac 73.9%\n\nAv. Efficiency VS Input Voltage 74.80% Av. Efficiency 74.60% 74.40% 74.20% 74.00% 73.80% 73.60% 73.40% 115 Input voltage 230 Av. Efficiency VS Input Voltage\n\n图 6. 效率和负载关系曲线\n\n7.2. 输出 I-V 曲线和调整率 所有测试在下列条件下进行: 1. 2. 3. 电源紧密地安装在手机充电器的外壳内。 带有外壳的电源被放在一个纸盒内，该纸盒放置于全温度范围的温箱内。通过监测纸盒内的温度以 保证测试环境温度恒定，无气流。 电源空载工作 30 分钟后，才记录输出电压和电流值。\n\nVersion 1.2\n\n11\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\nV&I curve 5.5 5 4.5 4 3.5 Vout(V) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Io(A) 1 1.1 1.2 1.3 1.4 90V 115V 230v 2V Upper limit lower limit\n\n图 7. 输出调整和负载、线性以及温度关系曲线\n\n7.3. 空载输入功率\n电源空载工作 5 分钟后，才记录输入功率值。\n\n表 3. 空载输入功率\n输入电压(V) 输入功率(mW)\n\n115 230\n\n21 48\n\n当输入电压为 230Vac 时，待机功率是 48mW。对于一般适配器目前要求是 150mW，只有 5 星手机充电 器最高要求 30mW，可以通过修改输出假负载做到要求。\n\nVersion 1.2\n\n12\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n8. 关键工作波形\n8.1. 输出纹波电压 全部测试由示波器在 20MHz 带宽下测得，且输出端并联一个 0.1µF 陶瓷电容和一个 10µF 电解电容。\n\n图 8. 纹波,90Vac,空载,4ms, 20mV/格,峰-峰电压:76mV\n\n图 9. 纹波,2Vac,满载,4ms, 50mV/格,峰-峰电压:112mV\n\nVersion 1.2\n\n13\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n8.2. 功率管集电极电压\n\n图 10. 集电极电压, 265Vac, 满载, 100V, 20µs/格, 峰值电压：560Vdc\n\n图 11. 2V 输入时，输出肖特基上反压为 44.8V.\n\nVersion 1.2\n\n14\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n8.3. 启动特性 启动特性包含输出电压上升时间和系统启动时间。 8.3.1. 输出电压上升时间 负载为 CR 模式中设置成 10ohm 的电子负载。\n\n图 12. 上升时间,90Vac,满载, 上升时间为 22mS\n\n图 13. 上升时间,265Vac,满载, 上升时间为 4.02mS\n\nVersion 1.2\n\n15\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n8.3.2. 输入启动时间\n\n图 14. 启动时间,90Vac,满载,启动时间为 3.5S 左右\n8.4. 短路保护模式下 13003 的 Vb 本测试结果在下列条件下录得：输出由输出导线的终点短路，输入电压是 265Vac. 由图中可知，在 SCP 模式下可实现打嗝模式。\n\n图 15. Vb,265Vac,输出短路\n\nVersion 1.2\n\n16\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n9. EMI 测试结果\n10.1 传导 EMI\n\n图 16. 传导 EMI,230Vac/50Hz,满载,火线\n\n图 17. 传导 EMI,230Vac/50Hz,满载,零线\n\nVersion 1.2\n\n17\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n10.2 辐射 EMI\n\n图 18. 辐射 EMI,230Vac/50Hz, 满载,垂直方向\n\n图 19. 辐射 EMI,230Vac/50Hz, 满载,水平方向\n\nVersion 1.2\n\n18\n\n\r\n

采用 AP3768 的 5V/1A 方案\n\n10. 测试报告总结\n描述 输入 电压 频率 空载输入功率 输出 输出电压 输出纹波 输出电流 输出功率(Pno) 输出启动时间 输出电压上升时间 效率 Pno 25%, 50%, 75%和 100% 时平均效率(EPS 2.0)--注释 1 EMI 浪涌测试 ESD 测试 68.17 % 74.1 @ 115Vac 73.9 @ 230Vac 通过 EN55022 B 级，6dB 余量 IEC61000-4-5 3 级 IEC6100-4-2 4 级 通过 1000 5 5 20 4.75 5.0 5.25 150 1200 V mVpp mA W S ms 通过 <112 通过 通过 3.5 通过 85 47 50/60 2 63 150 VAC Hz mW 48@230Vac 最小 典型 最大 单位 测试结果\n\nVersion 1.2\n\n19\n\n\r\n