皮松濤，文定都，李學敏

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于OB2269的高精度筆記本電源適配器

皮松濤，文定都，李學敏

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

設計基于OB2269的高精度筆記本電源適配器。功率電路采用反激式拓撲結構，電路的控制采用PFM型頻率調制控制方式，輔助電源采用晶體管有源嵌位電路，輸出電路采用變壓器單路隔離輸出，電壓反饋電路采用光耦PC817和TL431的組合結構。測試結果表明：本電源適配器能輸出19.3 V的穩(wěn)定電壓，功率可達100 W，效率高達78.8%，文波電壓為100 mV。本電源適配器適用于75～285 V寬電壓的交流輸入，是一種成本低、維修簡單的高性能開關電源。

OB2269；開關電源；紋波電壓；PFM

0 引言

人們對電源適配器的要求越來越高，如高輸出功率、高效率、高精度等。因此，如何設計一種精度高、噪聲低、紋波小的電源適配器成為研究熱點。目前筆記本電源適配器的設計方案主要有以下幾種。

1）“單端反激式”（flyback）結構[1]。此方案采用硬開關技術和傳統(tǒng)的PWM控制方式[2]，雖然結構簡單、成本低。但該方案設計的電源適配器開關噪聲和紋波都比較大，精度也不高。

2）“功率因數(shù)+反激準諧振”（APFC+QR）兩級結構。此方案采用功率因數(shù)校正技術[2]和準諧振軟開關技術。雖然此種電源適配器比傳統(tǒng)的采用硬開關結構的效率高，但該方案設計的電源適配器電路結構比較復雜，且在不同負載時，電路工作在不同狀態(tài)，尤其在重載時，電路工作在硬開關狀態(tài)而導致開關損耗大。

3）“功率因數(shù)+單端反激+同步整流”（APFC+PWM+SR）三級結構。此方案采用了同步整流技術。雖然此種電源適配器的效率非常高，即使在重載條件下開關損耗也低，但此種結構的電源適配器電路結構較為復雜、成本高、維修難度高。

4）“功率因數(shù)+半橋軟開關+同步整流”（APFC+LLC+SR）三級結構。此方案采用功率因數(shù)校正技術、軟開關技術和同步整流技術。目前，該結構的電源適配器效率和功率是最高的，但該方案的LLC電路設計非常復雜，LLC諧振腔電路的調試也比較困難，且輸出級有復雜的同步整流電路。因此，該方案不僅結構復雜，生產(chǎn)成本高，而且維修難度很大，一般只適用于特殊的高端場合。

為了解決上述幾種傳統(tǒng)方案存在的缺點，本文設計了基于OB2269的筆記本電源適配器，并制作樣機。該電源適配器采用頻率調制型控制芯片PFM（pulse frequency modulation）。測試結果表明，該電源適配器具有高效率、低噪聲、小紋波等諸多優(yōu)點[3]，不僅生產(chǎn)成本低，而且調試和維修均比較簡單。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)結構

一個完整的獨立工作的AC/DC開關電源通常包括輸入級EMC（electro magnetic compatibility）濾波整流電路、功率級電路、控制電路、驅動電路、輔助電源、電流采樣電路、反饋電路和輸出級整流電路組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是：輸入交流220 V，經(jīng)過輸入級EMC濾波整流電路后，得到310 V直流；然后經(jīng)過功率級電路、輸出級整流電路得到19.3 V直流；電流采樣電路采樣開關管峰值電流，反饋電路采樣輸出電壓值，電流采樣信號和反饋電路的電壓信號分別輸入到控制芯片的兩個不同的反饋引腳,控制芯片檢測反饋引腳上電壓值得不同頻率的PFM驅動波形。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

1.2 功率級電路和輸出級整流電路

功率級電路采用反激式拓撲結構[4]，如圖2所示。反激變壓器T1起隔離、儲存和傳遞能量的作用。當開關管Q1導通時，反激變壓器T1的原邊繞組Np儲存能量；當開關管關斷時，原邊繞組Np向副邊Ns釋放能量。R1, C1和D1組成RCD吸收回路。由于反激式拓樸結構的電路在工作時有儲能過程，因此反激變壓器T1必須使用開氣隙的磁芯。如果氣隙過大，則反激變壓器T1的漏感較大，開關管關斷時漏極承受的尖峰電壓很高，開關管容易擊穿；如果反激變壓器氣隙過小，則磁芯容易飽和，變壓器容易工作在非線性區(qū)，易造成開關管Q1發(fā)熱嚴重甚至過熱損壞。綜合考慮，反激變壓器T1使用開氣隙為0.3 mm的PQ3220型磁芯。

輸出級電路采用傳統(tǒng)的輸出整流電路結構，其包括肖特基二極管D2、儲能電容C2以及由輸出濾波電感L1和濾波電容C3組成的LC低通濾波器。C2, C3和L1能有效濾除輸出電壓的開關噪聲。該結構的輸出級電路成本低、可靠性高。

圖2 單端反激變換器功率級和輸出級電路圖Fig.2 The main circuit and output circuit of the flyback converter

1.3 控制電路

對整個系統(tǒng)而言，控制電路就像人的大腦，控制著整個系統(tǒng)的正常運行。本文舍棄使用傳統(tǒng)PWM芯片[5]如TL494）方法，選用PFM型芯片OB2269。OB2269是上海昂寶電子有限公司生產(chǎn)的一款高性能電流型PFM控制芯片，采用單路圖騰柱輸出，電路結構如圖3所示。與傳統(tǒng)PWM方案相比，采用PFM芯片的電源在全電壓甚至更低電壓條件下更容易輸出高精度的19.3 V電壓，且系統(tǒng)響應速度更快，線性調整率更好。

控制芯片OB2269的主要特點如下。

1）低待機功耗。芯片OB2269是通過特別的低功率間歇工作模式來設計，不僅可以讓整個系統(tǒng)在空載狀態(tài)下輕易達到國際能源機構最新的推薦標準，而且允許系統(tǒng)在較輕負載（1/30滿載以下）的情況下同樣具有超低耗的性能。

2）無噪聲工作?；谛酒琌B2269設計的電源在空載、輕載和滿載的情況下都不會產(chǎn)生音頻噪聲。優(yōu)化的系統(tǒng)設計可以使系統(tǒng)在任何工作狀態(tài)下都能安靜的工作。

3）更低啟動電流。芯片OB2269 VIN/VDD啟動電流低至4A。這可有效減小系統(tǒng)啟動電流的損耗，縮短系統(tǒng)的啟動時間。

4）更低工作電流。OB2269的工作電流約為2.3 mA。這可有效降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)效率。

5）內置頻率消抖電路。這可有效抑制電路振蕩。

圖3 OB2269的結構框圖Fig.3 Structure diagram of OB2269

1.4 啟動電路和輔助電源

啟動電路采用晶體管有源啟動方式。輔助電源[6]采用變壓器輔助繞組供電。啟動電路和輔助電源電路如圖4所示。開機時，啟動電路工作，Q2輸出11.3 V的啟動電壓。此時，輔助電源也開始工作。輔助電源工作時，晶體管Q2由于發(fā)射極電壓Ve高于基極電壓Vb，所以Q2處于截止狀態(tài)，啟動電路停止工作。圖4中，HV為整流后310 V直流電壓，VCC為控制芯片的供電電壓，晶體管Q2采用耐壓值450 V、最大電流500 mA的CMPTA44TR，Na為反激變壓器T1的輔助繞組，D6為15 V的穩(wěn)壓二極管，Q3能輸出14.3 V的工作電壓。

圖4 啟動電路和輔助電源Fig.4 Starting circuit and its auxiliary supply

1.5 電流采樣電路

為了提高電流采樣精度和整機成本，舍棄了由運放構成的采樣電路，電流采樣電路采用兩級LC濾波。其作用是濾除采樣電阻R6上采樣電壓的尖峰。該設計不僅結構簡單、成本低，而且濾波效果也比較理想。電路結構如圖5所示。圖中，IC_P6為芯片的第6個引腳；R6為0.03 Ω采樣電阻；R7為磁珠，其作用是進一步濾掉采樣電壓上的高頻尖峰。

圖5 電流采樣電路圖Fig.5 The circuit of current sampling

1.6 電壓反饋電路

電壓反饋電路采用傳統(tǒng)的光耦PC817和TL431的組合結構[7]，如圖6所示。TL431的環(huán)路補償采用Ⅰ型補償。

圖6 電壓反饋電路圖Fig.6 The circuit of voltage feedback

圖6中，電壓反饋電路并聯(lián)在輸出級的濾波電感L1的兩端[8]。電壓反饋電路由U1, TL431, R9, R10, R11, R12, R13和C9組成。R9和R10為限流電阻；R12和R13為分壓電阻；R11和C9為TL431的補償電阻和補償電容，調整R11和C9的值會影響輸出電壓的精度；IC_P2為控制芯片的第2個引腳即電壓反饋引腳，反饋在該引腳上電壓值的變化會影響控制芯片輸出PFM波形的頻率。1.7 整機原理

整機原理如圖7所示。在功率級MOS管上和輸出級的肖特基二極管上增加了RC吸收電路。整機還設計了軟啟動電路。出于保密需要，圖7中的元件參數(shù)不能顯示。

圖7 整機原理圖Fig.7 The circuit design schematic diagram

2 系統(tǒng)主要器件參數(shù)設計

電源最大輸出功率為100 W。實際輸出功率會隨筆記本電腦具體的使用狀態(tài)不同而發(fā)生變化。系統(tǒng)主要器件參數(shù)設計如下。

1）反激變壓器。反激變壓器采用PQ型磁芯[9]。具體采用哪款型號由式（1）決定，即

式中：Pin為輸入功率；Kp為原邊面積系數(shù)；Ku為窗口面積系數(shù)；Kt為電流系數(shù)；ΔB為磁芯的磁通變化量，單位為T；f為開關頻率。

根據(jù)式（1），本文采用PQ3220磁芯[10]。

2）原邊匝數(shù)Np和副邊匝數(shù)Ns。原邊匝數(shù)和副邊匝數(shù)分別為：

式（2）～（3）中：Ip為原邊峰值電流；Lp為勵磁電感量；Ae為磁芯PQ3220[10]的有效截面積，其值為1.7 cm2；Vin_DC為整流后的直流電壓；D為電路工作在最穩(wěn)定狀態(tài)時的占空比。

反激電路工作在最穩(wěn)定狀態(tài)時的占空比為

式中VAD是在開關管截止狀態(tài)下承受的反向電壓。計算可得，原邊Np匝數(shù)為35，副邊Ns匝數(shù)為6，輔助繞組Na匝數(shù)為5。輔助繞組輸出有效電壓約為17 V，為控制芯片供電。

3）功率開關管。圖7中，開關管Q1選用英飛凌公司900 V/8 A的FQA8N90C。

4）肖特基二級管。圖7中，D5為輸出肖特基二極管，選用200 V/10 A的MBR10200。

3 樣機測試和結果分析

本文設計的樣機如圖8所示。圖8中左上角的工頻電感是被動PFC電感[11]，在實際電路中串聯(lián)在輸入級EMC輸入級濾波整流電路。測試用的電腦為富士通筆記本，其標配適配器的輸出電壓為19.3 V，綠色指示燈顯示電腦正在充電，如圖9所示。

圖8 樣機圖Fig.8 Photos of the prototype

圖9 樣機測試圖Fig.9 Testing of the system

電源在1.5 A續(xù)航，輸出功率為30 W時，開關管Q1的PFM驅動波形和漏極電壓Vds波形如圖10所示。圖中，CH1為PFM波形，CH2為漏極電壓Vds波形。由圖可知，系統(tǒng)工作頻率為22.7 kHz，導通時間為7s，占空比為11%，電源工作在深度斷續(xù)模式（discontinuous conduction mode，DCM）。

圖10 開關管PFM波形和Vds波形Fig.10 The waveform of PFM and Vds

電源在3.3 A充電，輸出功率為70 W時，開關管PFM波形和漏極電壓Vds波形如圖11所示。圖中，CH1為PFM波形，CH2為漏極電壓Vds的波形。由圖可知，系統(tǒng)工作頻率為30 kHz，導通時間為7s，占空比為1 8%，電源工作狀態(tài)接近于臨界模式（boundary conduction mode，BCM）。

圖11 開關管PFM波形和Vds波形Fig.11 The waveform of PFM and Vds

由圖10～11可知，不同負載條件下，開關管D1的導通時間均為7s，驅動波形的占空比D和頻率均發(fā)生了變化。

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電源采用二階LC濾波電路，抑制采樣電壓尖峰。經(jīng)二階LC濾波后采樣電阻的電壓波形如圖12所示。圖中，CH1為經(jīng)過二階LC濾波后輸送到控制芯片的采樣電壓信號，CH2為采樣電阻R6上的電壓信號。由圖可知，二階LC濾波電路能有效削減采樣電壓尖峰，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖12 經(jīng)二階LC濾波后采樣電阻的電壓波形圖Fig.12 Voltage waveform of the sampling resistor after second filtering

與市面上絕大多數(shù)電源適配器相比，本課題組所設計的電源適配器具有精度高、開關噪聲低的優(yōu)點。為了直觀反映本電源的優(yōu)點，本課題組測試了樣機和筆記本電腦的原裝適配器。在滿載3.3 A時，輸出波形如圖13所示。圖中，CH1為筆記本電腦的原裝適配器的輸出波形，CH2為樣機的輸出波形。由圖可知，樣機的開關噪聲的峰峰值僅為100 mV，遠低于原裝適配器的峰峰值360 mV。

圖13 樣機與原裝適配器的輸出電壓對比圖Fig.13 The output voltage of the sample compared with the original supply

在續(xù)航模式和充電模式下測得各參數(shù)數(shù)值如表1所示。本文設計的電源適配器采用了大電感量的被動PFC電感，整機效率最高可達78.8%。

表1 在續(xù)航模式和充電模式下參數(shù)數(shù)值Table 1 Parameters in the life mode and the charging mode

4 結語

本課題組設計了基于OB2269的筆記本電源適配器。該電源能提供高精度、穩(wěn)定的19.3 V電源，開關噪聲低，峰峰值在100 mV。通過樣機和原裝電源適配器的測試分析可知，本文設計的電源適配器的輸出電壓精度明顯高于原裝電源適配器，且其成本低，易于調試和維修，具有較好的推廣價值。

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（責任編輯：鄧 彬）

A Design of OB2269-Based High-Precision PC Power Adapter

PI Songtao，WEN Dingdu ， LI Xuemin
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A high-precision PC power adopter based on PFM control chip OB2269 has been designed. The power adapter adopts the fly-back topology structure, with PFM control its frequency modulation control mode, with the transistor active block circuit its auxiliary supply, with the isolated single output its output circuit, and with the composite structure of PC817 and TL431its voltage feedback circuit. The test results show that the PC power adapter of this design can output the high-precision 19.3 V, with its the power up to 100 W, with its efficiency as high as 78.8%, and with its ripple voltage 100 mV. The PC power adapter, low in production cost, simple in maintenance but high in performance, can also find its application in 75～285 V AC input voltage.

OB2269；switching power supply；ripple voltage；PFM

TP303.3

A

1673-9833(2016)05-0045-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.010

2016-07-07

湖南省教育廳科研基金資助項目（15C0393）

皮松濤（1985-），男，湖北松滋人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail：287595417@qq.com