CN203326888U - 一种轻载高效的新型适配器电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轻载高效的新型适配器电源,由主控制芯片（U1）、整流桥（VD1-VD4）、变压器（T1）、开关MOS管(Q1)和光耦(U2)；其特征在于：所述主控制芯片为U1-HFC0300；所述变压器(T1)其副边整流电路由同步整流芯片Q2-MP6910及其外围器件构成，该芯片内部集成了同步整流和高压100V的MOS管，芯片封装形式为TO-220；副边整流电路，将变压器传递的能量通过单向整流，给输出端提供能量，芯片内部将信号处理后调节Drv端的驱动频率。该新型适配器电源，具有轻载、低耗、高效、使用寿命长的优点。

Description

一种轻载高效的新型适配器电源

技术领域

本实用新型涉及一种适配器电源。 

背景技术

适配器是一种小型便携式电子设备及电子电器的供电电压变换设备，将市电220Vac交流转化为实际需要的5.0Vdc-24.0Vdc直流低压电，为电子产品供电。它广泛用于人们生活中使用的电子设备。 

适配器电源是适配器实现低压转化的重要部分。传统技术的适配器电源，采用工作频率固定的PWM脉宽控制芯片（简称 “主控制芯片”）。其电源组成结构如图1所示，主要由整流桥(BD1)、变压器(T1)、开关MOS管(Q1)、主控制芯片(U1)、光耦(PC1)、副边之整流二极管D3（常用肖特基二极管）组成。该电路为反激电路拓扑结构，在电路中整流桥（BD1）将输入端的交流电压转化为其1.4倍的直流电压；变压器(T1)是实现低压转换和传递能量的重要部件。在电路中，由主控制芯片（U1）控制开关MOS管(Q1)的导通与截止来实现变压器的能量传递；主控制芯片(U1)，为电路的核心器件，其控制着电路的输出功率大小、输出端的信号反馈的处理、输出端的短路保护等重要功能；开关MOS管(Q1)栅极电压G，通过主控制芯片的驱动信号高低，来实现开关MOS管(Q1)的导通与截止；副边整流二极管(D3)，将变压器(T1)传递的能量通过单向整流，给输出端提供能量；光耦(PC1)，将输出电压的高低变化通过反馈光耦，将光信号转化为电压信号，传递至主控制芯片(U1)②脚CMP端。主控制芯片(U1)依据反馈信号的强弱来控制开关MOS管(Q1)的导通和截止，从而实现了输出电压恒定和输出功率不变。

传统适配器电源的工作频率设置，是由主控制芯片(U1)的第③脚RT通过电阻R6-100KΩ与“地”连接实现，使芯片工作频率固定在60KHZ±5%范围内。

传统适配器电源的工作原理如图1所示：输入电压经过整流桥（BD1）、输入端大电解电容（C1）和变压器（T1）后，若开关MOS管（Q1）导通时，输入端产生能量存储在变压器中，输出端能量由电解电容（C8）提供；若开关MOS管(Q1)截止时，变压器(T1)储存能量传递至副边，为输出端提供能量和给电解电容（C8）充电；开关MOS管（Q1）的导通截止，是由主控制芯片(U1)通过光耦（PC1）的反馈信号，经芯片内部检测后，由主控制芯片（U1）第⑥脚产生的高低电平驱动开关MOS管(Q1)“栅极-G”来实现的。主控制芯片(U1)第⑥脚产生高电平时，开关MOS管（Q1）“栅极”导通，若产生低电平时，开关MOS管(Q1)“栅极”处于接截止状态。主控制芯片(U1)通过控制开关MOS管（Q1）的导通与截止来实现输出端电压和输出端功率的恒定。

传统适配器电源之变压器副边整流管的工作电路如图2所示。若原边电路开关MOS管(Q1)截止时，变压器(T1)副边异名端为高电平，整流二极管D3正向导通给输出端提供能量，同时电解电容(C8)充电储能。电感L2、C9和C12在电路中起到滤波作用。R15、R16和C7吸收整流管两端产生的尖峰电压；若原边开关MOS管(Q1)导通时，变压器(T1)副边异名端为低电平，整流二极管D3处于截止状态，副边能量需要储能电容C8提供。

传统适配器电源存在空载功耗大、整机效率低的缺点，且容易引起适配器电源内部发热量大，长期使用会造成适配器内部器件出现过热失效现象，从而降低了整机的使用寿命。

发明内容

本实用新型目的在于，提供一种轻载、低耗、高效、使用寿命长的新型适配器电源本实用新型是这样实现的： 

该新型适配器电源，主要由主控制芯片(U1)、整流桥（VD1-VD4）、变压器(T1)、开关MOS管(Q1)、光耦(U2)、副边整流电路；

整流桥(VD1-VD4)将输入端的交流电压转化为其1.4倍的直流电压；该电压经过变压器(T1)原边绕组NP后与开关MOS管(Q1)的“源极D”相连。开关MOS管(Q1)“栅极G”通过主控制芯片(U1)的驱动信号高低，来实现开关MOS管(Q1)的导通与截止；整流电路将变压器(T1)传递的能量进行单向整流，给输出端提供能量；光耦(U2)将输出功率的高低变化由光信号转化为电压信号，传递至主控制芯片(U1)脚之4脚COMP端，主控制芯片(U1)内部将信号处理后调节主控制芯片的驱动频率，从而实现了在驱动频率最低时能够满足输出功率需要。

主控制芯片（U1）, 为主控制芯片U1-HFC0300;

所述变压器（T1），其副边整流器件为同步整流芯片Q2-MP6910，封装形式为TO-220。

    该电源的特征在于：   

所述主控制芯片为U1-HFC0300，具有独立高压启动端HV端，可以保证在输入电压范围较宽时，芯片也能正常启动；主控制芯片Drv驱动端驱动能力很强，可以直接驱动200W输出功率的开关MOS管。而其他芯片在大功率输出时，其芯片驱动端驱动能力往往不足，需要额外增加三极管放大电路来提高芯片驱动能力；主控制芯片最大工作频率由Fset端电容C13决定，根据输出功率的变化，主控制芯片会自动调节工作频率。其工作频率与输出端功率成正比，即电源输出功率降低时，主控制芯片的工作频率也会随之降低。而其他芯片工作频率是由电阻决定，并且在任何条件下，其工作频率保持不变；因此，控制芯片驱动频率的降低，可以降低输入功率的需求，从而提高适配器的整机效率。

所述变压器副边整流电路，由之前的普通肖特基二极管，改为功耗更低的同步整流芯片Q2-MP6910，该芯片内部集成了同步整流和高压100V的MOS管，芯片封装形式为TO-220。这样不但可以降低整流损耗，提高产品效率，并且在使用上也更加便捷，利于大规模推广。

本实用新型的原理及效果如下：

1、轻载低耗的实现；该电源使用最新的PWM脉宽控制技术，其芯片工作频率与输出功率成正比关系。即电源工作于待机状态时，通过输出端功率变化产生的信号通过光耦(U2)反馈给主控制芯片U1-HFC0300。芯片内部将自动调节降低工作频率，该行为将引起变压器开通频率与开通时间降低，在保持输出电压不变的情况下，最大限度地实现了输入功率的降低；

而已有电源产品在待机状态时，其工作频率却始终保持不变。因此可以比较得出，若两款电源均处于待机状态时，本实用新型适配器之主控制芯片工作频率低于现有产品芯片工作频率。在相同周期内，本实用新型适配器芯片驱动次数与变压器导通时间明显降低，即同一周期内电源输入端需要的能量也明显下降，从而实现了电源的低载低耗功能。

本新型电源和已有电源待机功耗和轻载时的效率数据如下表1所示；

                              表1

2、整机效率高；新型适配器电源副边整流电路采用的是最新的同步整流技术+MOS管集成的芯片电路。该电路可极大地降低电源在副边整流时的能量损耗，使电源工作效率明显提高。该芯片导通时的阻抗仅为10mΩ。.

本实用新型之适配器电源和已有适配器电源在副边整流部分的损耗对比如下表2所示。其中损耗功率W=I*I*R或者，损耗功率W=U*I（公式1），已有肖特基二极管的管压降均视为1.0V。

                        表2

通过对比可以看出：当输出功率越大时，本新型适配器电源的整流损耗越小，产品效率提升越明显。

下表3为同规格适配器电源在不同负载时的效率测试对比。可以看出效率提升显著。

                         表3

3、该新型适配器电源使用寿命长；由于适配器电源处于密封状态下，自身的散热能力较差。若产品效率低时其适配器内部发热量增加，电源器件工作环境温度明显升高。故此，电源内部受温度影响较为敏感的器件（对温度影响最大的元器件是电解电容），其使用寿命明显降低，最终引起电源故障，从而影响了适配器电源的使用寿命。

故此，本实用新型提升整机效率的主要手段是改变主控制芯片PWM工作频率和降低电源副边整流电路的功耗。

附图说明

图1. 现有技术之适配器电源的电路原理示意图； 

图2. 现有技术之适配器电源使用的肖特基二极管输出端整流方式；

图3. 本实施例之适配器电源输出端整流电路示意图；

图4. 本实施例适配器电源的技术原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步说明。     

     本实施例之适配器电源，在设计时已经保证了电源在满载最大输出功率时的最高工作频率为60KHZ±5%。具体为在MPS主芯片U1-HFC0300的Fset端接C13电容，该电容即决定着芯片最高工作频率。

     图3显示了本实施例之适配器电源输出端整流电路

整流芯片Q2-MP6910的工作原理是：在变压器副边除了主路输出绕组外，再增加一个辅助绕组（与输出端主绕组异名端相同）来驱动整流芯片Q2-MP6910的VDD驱动端，实现VD-源极与VS-漏极之间的导通与截止。

当绕组异名端为高电平时，辅助绕组整流二极管经过电阻R2后进去VDD端，电容C4为VDD滤波电容；当VDD电位升高致MOS管开通电压后，MOS管VS与VD处于低阻导通状态；变压器原边能量通过VS与VD向输出端提供能量，电容C3为输出端的滤波电容。因此，通过芯片VDD驱动端的电位高低来实现整流管的开通与截止。   

图4显示了本实施例适配器电源的技术原理

图中，输入电压通过分压电阻R15、R16后进入主控制芯片U1-HFC0300第⑧脚HV端，使芯片正常工作。芯片第①脚产生的驱动电压通过驱动电阻R4加到Q1-开关MOS管栅极G，使开关MOS管源极D与漏极S对地导通；此时输入电压通过整流桥(VD1-VD4)、输入储能电解电容C1、变压器T1和Q1-开关MOS管构成回路，流经回路产生的能量存储在变压器中。当流经变压器的电流峰值在取样电阻R5和R6产生的电压峰值超过0.5V时，主芯片U1第②脚CS实现芯片保护功能。芯片第①脚产生的驱动电压变为低电平关闭，Q1-开关MOS管也因此处于截止状态，原边回路因开关MOS管的截止也处于关闭状态。此时，变压器各同名端极性翻转，副边同名端变为高电平，副边高电平通过电阻R22，二极管VD10和R10给整流芯片Q2-MP6910的VDD端提供电压，此时Q2-MP6910漏极D与源极S处于低通导通阻抗。变压器副边主路输出由同名端经过Q2-MP6910的源极D和漏极S致副边异名端构成一个输出回路，变压器原边存储能量通过该副边回路向输出端提供能量。在该电路中，输出端主路绕组与Q2整流芯片VDD端驱动绕组相同。

在副边整流电路中，C15为VDD滤波电容，D11为稳压二极管，保证整流芯片Q2-MP6910的VDD电压稳定。C12、R23、VD9、R25为整流芯片Q2-MP6910的源极D和漏极S两端的吸收电路。

通过电路分析对比，本实施例之适配器电源的副边整流电路，增加了一个辅助绕组来实现整流芯片的开通与截止。原先的肖特基二极管被具有低阻抗的同步整流芯片所替代。使整流损耗明显降低，产品效率也明显升高。

当电源工作时，若输出端功率保持不变，则主控制芯片Drv驱动频率也保持不变；若电源输出功率由满载转至轻载或者待机状态时，控制芯片（U1）-HFC0300通过反馈光耦（U2）产生的信号变化，经内部检测会自动降低其①脚Drv产生的驱动频率，最低可以达到20KHZ频率。原边变压器导通频率和导通时间也随之降低，这样相同周期内电源原边产生的能量明显降低。因此，控制芯片的变频特性保证了电源在待机时的功耗最低；

同样，若输出功率增加时，通过反馈光耦(U2)产生的信号在芯片内部会自动增加电源控制主芯片U1-HFC0300第①脚Drv驱动频率，原边变压器导通频率和导通时间也随之升高。由变压器原边传递至副边的能量增加，此时通过同步整流芯片Q2-MP6910整流后向输出端提供能量。由于该芯片导通阻抗仅为10mΩ，芯片工作时自身损耗很小，发热量也很低。因此，产品效率可以得到极大的提升。产品效率提升的同时，适配器内部温度也会明显降低，这对于产品使用寿命有着极其重要的意义。

Claims (1)

1.一种轻载高效的新型适配器电源,该新型适配器电源，其特征在于：由主控制芯片(U1)、整流桥（VD1-VD4）、变压器(T1)、开关MOS管(Q1)、光耦(U2)、副边整流电路组成；

整流桥(VD1-VD4)将输入端的交流电压转化为其1.4倍的直流电压；该电压经过变压器(T1)原边绕组NP后与开关MOS管(Q1)的“源极D”相连; 开关MOS管(Q1)“栅极G”通过主控制芯片(U1)的驱动信号高低，来实现开关MOS管(Q1)的导通与截止；副边整流电路将变压器(T1)传递的能量进行单向整流，给输出端提供能量；光耦(U2)将输出功率的高低变化由光信号转化为电压信号，传递至主控制芯片(U1)脚之4脚COMP端，主控制芯片(U1)内部将信号处理后调节主控制芯片(U1)的驱动频率，从而实现了在驱动频率最低时能够满足输出功率的需要;

主控制芯片（U1）, 为主控制芯片U1-HFC0300;

所述变压器（T1），其副边整流电路为同步整流芯片Q2-MP6910，封装形式为TO-220。

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