基于L6563H和L6599A的90W筆記本電腦適配器設(shè)計與性能分析

一、引言

在當(dāng)今數(shù)字化時代，筆記本電腦已成為人們生活和工作中不可或缺的工具。而適配器作為筆記本電腦的重要配件，其性能的優(yōu)劣直接影響著電腦的使用體驗和穩(wěn)定性。本文將詳細介紹一款基于L6563H和L6599A的90W寬范圍市電、功率因數(shù)校正的AC - DC適配器演示板的設(shè)計與性能。該適配器專為高端便攜式計算機電源適配器量身定制，具有高效率、低空載功耗等優(yōu)點。

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二、適配器主要特性與電路描述

2.1 主要特性

這款適配器具有以下顯著特點：

• 輸入范圍廣：支持90÷264 Vac的通用輸入市電范圍，頻率為45 ÷ 65 Hz，能適應(yīng)不同地區(qū)的電網(wǎng)環(huán)境。
• 輸出穩(wěn)定：輸出電壓為19 V，可連續(xù)提供4.75 A的電流，滿足筆記本電腦的正常運行需求。
• 諧波符合標(biāo)準(zhǔn)：市電諧波符合EN61000 - 3 - 2 Class - D或JEITA - MITI Class - D標(biāo)準(zhǔn)，減少對電網(wǎng)的干擾。
• 低待機功耗：在230 Vac時，待機市電消耗小于0.3 W，符合ENERGY STAR?資格標(biāo)準(zhǔn)。
• 高效率：在滿載時效率優(yōu)于90%，有效降低能源損耗。
• 電磁兼容性好：EMI符合EN55022 - Class - B標(biāo)準(zhǔn)，減少電磁干擾。
• 安全性高：符合EN60950安全標(biāo)準(zhǔn)，保障使用安全。
• 尺寸小巧：尺寸為65x151 mm，組件最大高度為25 mm，便于攜帶和使用。
• PCB設(shè)計合理：采用雙面70 μm的FR - 4材質(zhì)，混合PTH/SMT工藝，提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 電路結(jié)構(gòu)

該電路采用兩級架構(gòu)，前端PFC使用L6563H，下游LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器采用L6599A。PFC階段作為預(yù)調(diào)節(jié)器，為諧振階段提供400 V的恒定電壓。只有當(dāng)PFC正常工作并調(diào)節(jié)其輸出電壓時，下游轉(zhuǎn)換器才會工作，這樣可以優(yōu)化諧振階段的輸入電壓范圍，提高效率和初級側(cè)功率組件的性能。

三、電路關(guān)鍵特性分析

3.1 啟動序列

啟動時，PFC首先啟動，下游轉(zhuǎn)換器隨后開啟。L6563H最初由集成高壓啟動電路供電，PFC開始切換后，連接到PFC電感的充電泵為PFC和諧振控制器供電。兩個階段激活后，控制器也由諧振變壓器的輔助繞組供電，確保在待機操作時也能提供正確的電源電壓。這種設(shè)計使得L6563H的集成HV啟動電路在正常運行時關(guān)閉，不產(chǎn)生功耗，有助于降低輕載時的功耗，符合全球待機標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 欠壓保護

欠壓保護可防止電路在異常市電水平下工作。通過L6563H的RUN引腳（#12）連接到VFF引腳（#5），利用電阻分壓器提供市電電壓峰值信息。內(nèi)部比較器在市電水平正常時允許IC工作，啟動時若輸入電壓低于90 Vac（典型值），電路操作將被禁止。L6599A的LINE引腳（#7）也有類似保護，防止諧振轉(zhuǎn)換器在輸入電壓過低時工作，避免電容模式操作。當(dāng)PFC輸出的母線電壓低于380 V時，諧振階段啟動將被禁止，且LINE引腳內(nèi)部比較器具有滯后功能，可獨立設(shè)置開啟和關(guān)閉電壓。

3.3 快速電壓前饋

L6563H的VFF引腳（#5）電壓與MULT引腳（#3）電壓峰值相同，由連接到VFF的RC網(wǎng)絡(luò)（R15 + R26，C12）產(chǎn)生，完成內(nèi)部峰值保持電路。該信號用于獲取RMS輸入電壓信息，以補償與市電電壓相關(guān)的環(huán)路增益。為解決VFF時間常數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的問題，L6563H實現(xiàn)了快速電壓前饋功能。當(dāng)VFF引腳電壓從設(shè)定閾值（典型值40 mV）下降時，假設(shè)出現(xiàn)市電驟降，內(nèi)部開關(guān)通過10 kΩ電阻快速放電VFF電容，從而可以設(shè)置具有長時常數(shù)的RC電路，保證低THD，同時對市電電壓變化保持快速響應(yīng)。

3.4 諧振功率級

下游轉(zhuǎn)換器采用ST L6599A，可實現(xiàn)50%固定占空比和可變頻率的諧振轉(zhuǎn)換器控制。變壓器采用集成磁路方法，包含諧振串聯(lián)電感，無需額外的外部線圈進行諧振。二次繞組采用中心抽頭配置，并使用一對功率肖特基整流器（STPS30H60CFP）。輸出端添加了小型LC濾波器，用于過濾高頻紋波。此外，D15、R56、R62、R65、R66、Q5和Q6組成輸出電壓“快速放電”電路，在轉(zhuǎn)換器關(guān)閉時快速放電輸出電容，降低無負載時的殘余輸出電壓。

3.5 輸出電壓反饋回路

反饋回路通過典型電路實現(xiàn)，使用TL431調(diào)制光耦二極管中的電流。在初級側(cè)，R34連接RFMIN引腳（#4）到光耦的光電晶體管，閉合反饋回路，其值設(shè)置最大開關(guān)頻率約為130 kHz，以限制輕載操作時的開關(guān)損耗。R31連接同一引腳到地，設(shè)置最小開關(guān)頻率。R - C串聯(lián)R44和C18設(shè)置軟啟動最大頻率和持續(xù)時間。

3.6 L6599A過載和短路保護

通過無損電路R41、C27、D11、D10、R39和C25檢測初級繞組中的電流，并將其輸入到ISEN引腳（#6）。當(dāng)發(fā)生過流時，引腳電壓超過內(nèi)部比較器閾值（0.8 V），觸發(fā)保護序列。連接到DELAY引腳（#2）的電容（C45）由內(nèi)部150 μA電流發(fā)生器充電，并由外部電阻（R24）緩慢放電。當(dāng)引腳電壓達到2 V時，軟啟動電容完全放電，開關(guān)頻率推至最大值；當(dāng)引腳電壓超過3.5 V時，IC停止切換，內(nèi)部發(fā)生器關(guān)閉，引腳電壓因外部電阻而下降。當(dāng)電壓降至0.3 V以下時，IC軟重啟。在短路條件下，轉(zhuǎn)換器間歇性工作，平均輸入功率非常低。

3.7 PFC過壓和開環(huán)保護

PFC和諧振兩個電路階段都配備了過壓保護。L6563H PFC控制器通過連接到專用引腳（PFC_OK，#7）的電阻分壓器監(jiān)測其輸出電壓，在環(huán)路故障或反饋環(huán)路分壓器斷開時保護電路。檢測到故障時，PFC_OK電路鎖定L6563H操作，并通過PWM_LATCH引腳（#8）鎖定L6599A的DIS引腳（#8）。轉(zhuǎn)換器由L6563H HV電路保持鎖定，該電路周期性地為Vcc電容充電。要恢復(fù)轉(zhuǎn)換器操作，需要重啟市電。

3.8 待機節(jié)能

該板實現(xiàn)了突發(fā)模式功能，可在輕載操作時顯著節(jié)省功率。L6599A的STBY引腳（#5）檢測光耦的集電極電壓，該電壓與反饋控制相關(guān)且與輸出負載成正比。將該信號與內(nèi)部參考（1.24 V）進行比較，當(dāng)負載降低且STBY引腳電壓低于參考值時，IC進入空閑狀態(tài)，靜態(tài)電流降低。當(dāng)電壓超過參考值50 mV時，控制器重新開始切換。通過適當(dāng)選擇連接光耦到RFMIN引腳（R34）的電阻，可以編程突發(fā)模式操作的負載閾值，該板在負載低于約15 W時以突發(fā)模式運行。L6563H也實現(xiàn)了自己的突發(fā)模式功能，當(dāng)COMP電壓低于2.5 V時，IC停止切換，導(dǎo)致輸出電壓下降，COMP電壓再次上升，IC重新開始切換。為了實現(xiàn)更好的負載瞬態(tài)響應(yīng)，PFC突發(fā)模式操作部分由諧振轉(zhuǎn)換器強制。當(dāng)L6599A因負載下降而停止切換時，其PFC_STOP引腳拉低L6563H的PFC_OK引腳，禁用PFC切換。這種解決方案可防止在負載突然增加時母線電壓顯著下降。

四、性能測試與分析

4.1 效率測量

對適配器的效率進行了測量，結(jié)果表明在不同電壓下均表現(xiàn)出色。在115 Vac時，平均效率為89.96%；在230 Vac時，平均效率為91.12%，均遠高于EPA rev2.0外部電源限制（87%）。即使在空載時，最大空載消耗也小于250 mW，顯著低于ENERGY STAR計劃規(guī)定的500 mW限制。輕載操作效率測試顯示，即使在非常輕的負載（如500 mW）下，效率也優(yōu)于55%。

4.2 諧波含量測量

該適配器根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000 - 3 - 2 Class - D和日本標(biāo)準(zhǔn)JEITA - MITI Class - D進行了測試。結(jié)果顯示，電路能夠?qū)⒅C波降低到兩個法規(guī)限制以下，總諧波失真和功率因數(shù)的測量值表明PFC功能正常。

4.3 功能檢查

通過對諧振階段在穩(wěn)態(tài)操作時的波形進行分析，選擇約100 kHz的開關(guān)頻率，可在變壓器損耗和尺寸之間取得良好平衡。轉(zhuǎn)換器在諧振頻率以上運行，實現(xiàn)了諧振ZVS操作，MOSFET在諧振電流通過其體二極管且漏源電壓為零時開啟。啟動波形顯示了兩個階段的啟動順序，PFC先啟動，輸出電壓從市電整流電壓上升到標(biāo)稱值，隨后諧振階段開始工作，輸出電壓達到標(biāo)稱水平。在待機和無負載操作時，L6599A和L6563H均以突發(fā)模式運行，PFC和LLC突發(fā)同步。負載轉(zhuǎn)換測試表明，從滿載到無負載以及從無負載到滿載的轉(zhuǎn)換過程干凈，沒有輸出電壓異?；騐cc下降導(dǎo)致的控制器重啟循環(huán)。

4.4 熱圖分析

使用紅外相機進行熱映射，檢查設(shè)計的可靠性。在115 Vac - 60 Hz和230 Vac - 50 Hz的滿載條件下，對電路板組件側(cè)進行了熱測量。結(jié)果顯示，關(guān)鍵組件的溫度在合理范圍內(nèi)，環(huán)境溫度為27 °C時，最高溫度未超過80 °C。

4.5 傳導(dǎo)發(fā)射預(yù)合規(guī)測試

對適配器在滿載和標(biāo)稱市電電壓下的傳導(dǎo)噪聲進行了平均測量。測試結(jié)果表明，在所有測試條件下，測量值均遠低于EN55022 Class - B標(biāo)準(zhǔn)的限制，該標(biāo)準(zhǔn)是家用設(shè)備最常用的標(biāo)準(zhǔn)，比Class - A標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

五、BOM清單與組件規(guī)格

5.1 BOM清單

該演示板的BOM清單包含了各種電容、電阻、二極管、MOSFET、變壓器、控制器等組件，詳細列出了每個組件的型號、規(guī)格、封裝和供應(yīng)商信息，為設(shè)計和生產(chǎn)提供了明確的指導(dǎo)。

5.2 PFC線圈規(guī)格

PFC線圈適用于消費類和家用電器，采用開放式變壓器類型，垂直型線圈骨架，6 + 6引腳。最大溫度上升為45 oC，最大工作環(huán)境溫度為60 oC。電氣特性方面，采用升壓、過渡模式的轉(zhuǎn)換器拓撲，核心類型為PQ26/20 - PC44或等效型號，最小工作頻率為40 kHz，典型工作頻率為120 kHz，初級電感為520 μH±15 %（1 kHz - 0.25 V）。

5.3 變壓器規(guī)格

變壓器同樣適用于消費類和家用電器，采用開放式變壓器類型，水平型線圈骨架，7 + 7引腳，兩個插槽。最大溫度上升為45 oC，最大工作環(huán)境溫度為60 oC，市電絕緣符合EN60065標(biāo)準(zhǔn)。電氣特性方面，采用半橋、諧振轉(zhuǎn)換器拓撲，核心類型為ETD34 - PC44或等效型號，最小工作頻率為60 kHz，典型工作頻率為100 kHz，初級電感為1200 μH±8 %（1 kHz - 0.25 V），漏電感為200 μH（100 kHz - 0.25 V）。

六、總結(jié)

這款基于L6563H和L6599A的90W筆記本電腦適配器在性能、效率、安全性和電磁兼容性等方面表現(xiàn)出色。其獨特的電路設(shè)計和先進的控制技術(shù)，使其能夠滿足高端便攜式計算機電源適配器的需求。通過詳細的性能測試和分析，驗證了適配器的可靠性和穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，設(shè)計師可以根據(jù)具體需求對電路進行優(yōu)化和調(diào)整，以進一步提高適配器的性能。同時，該設(shè)計也為其他電源適配器的開發(fā)提供了有益的參考。你在設(shè)計類似電源適配器時，是否也會遇到這些關(guān)鍵特性的設(shè)計難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。