CR633X应用设计指导书V1.3.pdf

成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra CR633X应用设计指导书V1.3摘要：本文阐述了一个基于原边控制方式的充电器/适配器设计，包括芯片的特征和详细的工作原理，以及设计技巧。特征：恒压恒流均采用原边控制，无需光耦和TL431内置600V功率开关MOSFET低的启动电流：5uA（Typ）低的工作电流：2.5mA（Typ）内置软启动功能内置前沿消隐电路(LEB)内置频率抖动以改善EMI特性内置自适应OCP补偿内置原边绕组电感补偿内置输出线压降补偿VDD 欠压保护(UVLO)、过温保护(OTP)、过压保护(OVP)及VDD电压钳位功能高效节能：满足能源之星EPS 2.0版V级能耗标准应用：手机、无绳电话、PDA、数码相机等电池充电器小功率适配器PC、TV等辅助电源线性电源/RCC替换管脚信息：CR6335/36/38CR6332典型应用:?C?CS?C?put?DCOutputCR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 2内部框图：CR633X应用说明:型号MOSFET RDS(ON)最大输出功率封装推荐应用领域90Vac264Vac230VacCR63323.510W12WSOP7充电器，小功率适配器，LED驱动线性电源/RCC替换CR63359.06W7WSOP8CR63368.58W9WDIP8CR63384.512W15WDIP8应用指导:CR633X系列采用反激式电路结构,输出和输入高压使用变压器隔离。在这种反激拓扑中，开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出电容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传递到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流所消耗的能量。一、启动电路1.传统启动电源上电开机时，通过启动电阻RIN为VDD端的电容C1充电，直到VDD端电压达到芯片的启动电压VDD_ON时芯片启动并且驱动整个电源系统工作。CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 3图1 典型启动电路在这个过程中，最大启动延迟时间可用下式计算：_1_ln 1DD ONDONINDCDDSTINVTRCVIR（1）由于芯片具有低启动电流的特性且考虑到空载的系统损耗，RIN可取较大值，具体值可在1.5M3M范围内选取，C1推荐选用10uF/50V。另外，还有一种整流前启动方式，启动电阻RIN接在整流前，这种方式可降低待机功耗，提高效率，但启动延迟时间变长。这里不做说明，请参阅相关资料。2.快速启动如果需要系统具有更快的启动时间且在系统成本允许的情况下，可采用如下电路：图2 快速启动电路在这个电路中C1 的值可以取得较小(但需要考虑系统的稳定性)，RIN的值可以取得较大。这样既可缩短系统的启动时间同时也可降低系统空载时的损耗。启动电阻RI上最大损耗：22,INDC MAXDDDC MAXRMAXININVVVPRR（2）其中，VDC,MAZ是最大输入整流后电压对于一个通用输入（90Vac264Vac），VDC，MAX=384VCR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 462,374931.5 10INRMAXPmW（3）二.变压器设计CR633X采用原边反馈控制，在任何情况下，变压器电感电流必须工作在DCM模式。下列为宽电压输入，电感电流工作在DCM模式的设计。1.输入存储电容对于宽电压范围输入，输入存储电容CIN按23uF/Watt输出功率选取；230V窄电压整流输入，CIN按1uF/Watt输出功率选取。2.最小和最大直流输入电压21222OCLMINACMININPtfVVC（4）2MAXACMAXVV（5）其中，fL为输入交流电压频率；tC为桥式整流大额导通时间，可取3ms。所有单位分别为伏特、瓦特、赫兹、秒、法拉第。3.VOR和DMAXCR633X系列反射电压VOR设计在60V80V。建议DMAX取0.45以下。()ORMAXPMINDSORVDKVVV（6）其中，KP应始终大于1，KP表示非连续导通模式，并且是初级MOSFET关断时间与次级二极管导通时间的比例。VDS取10V；注意：为了实现正确调节，CR633X要求电源在非连续导通模式下工作。在CV应用时，次级二极管导通时间一旦超过周期的一半，则开关频率将降低。为了在最大输出功率时，开关频率为55KHz（Typ），则需要设定KP。检验KP大于1.3，确保非连续工作。建议取值1.5或更大的值。4.初级峰值电流和有效值初级平均电流：OAVGMINPIV（7）初级峰值电流：2AVGPMAXIID（8）CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 5初级有效值电流：23PRMSMAXIID（9）5.初级电感量621012OPPSPLIf（10）其中，式中的单位分别为微亨、瓦特、安培、赫兹6.选择磁芯确定初级匝数实际上，磁芯的初始选择肯定是很粗略的，因为变量太多了。选择合适磁芯的方法之一是查阅制造商提供的磁芯选择指南。根据CR633X的频率工作范围，我们做如下推荐：磁芯尺寸输出功率EE133W EE166WEE1910WEF2013W确定了磁芯之后，即可由下式得出变压器初级侧为避免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：2,10PPP MINsateILNBA（11）其中单位分别为高斯、安培、微亨、平方厘米,Bsat为饱和磁通量密度，如无参考数据，则使用Bsat=35004000（以高斯为单位）；或者Bsat=0.350.4（以特拉斯为单位）。最大工作磁芯磁通密度，BM=20003000（以高斯为单位）；或者Bsat=0.20.3（以特拉斯为单位）。选用2400高斯（或0.24特拉斯）可以降低音频噪声的产生。则初级绕组匝数：2102400PPPeILNA（12）磁芯气隙长度：21401000PgePLNLALA（13）其中，Lg单位为毫米，Ae单位为平方厘米，AL单位为纳亨/圈2，LP单位为微亨。通常不推荐对中心柱气隙磁芯使用小于0.1 mm的值，因为这样会导致初级电感量容差增大。如果您需要使用小于0.1 mm的Lg值，请咨询变压器供应商以获得指导。7.变压器绕组间匝比ORPSODVNNVVV（14）CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 6OCVIR（15）其中，VD为二极管正向电压：对超快速PN结二极管选取0.7 V，肖特基二极管选取0.5 V。V为最大负载输出线压降：IO为最大负载电流，RC为输出线等效电阻SODAVXAVXDBNVVVNVV（16）其中，VAVX为辅助绕组整流后的电压，VDB为偏置绕组整流管正向电压；8.次级峰值电流和次级有效值电流次级峰值电流：PSPPSNIIN（17）次级有效值电流：13MAXSRMSSPPDIIK（18）9.次级绕组匝数ODSPORVVVNNV（19）10.辅助绕组由于CR633X通过采样辅助绕组的电压来完成恒压/恒流控制（请参考规格书）。所以辅助绕组的设计是比较重要的。下图为典型的V-I曲线：图3 充电器V-I曲线在一个充电器应用中，电池电压低于B点电压VB时，充电器通过不断重启来完成对过放电电池小电流补充电；当电池电压达到B点电压VB时，芯片正常工作，充电器对电池恒流充电；随着电池电压的升高，到达A点电压VA时，输出功率最大，此时进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小。VO=VB时，辅助绕组整流后的电压达到芯片的最低工作电压VDD_OFF。_DD OFFDBAVXSBDVVNNVVV（20）CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 7VO=VA时，辅助绕组的反激电压,()AVXAVX ORADSNVVVVN（21）注意：此时辅助绕组整流后的电压不得引起OVP。否则，重新设计。对于LED驱动应用设计同充电器应用。对于一个适配器应用来说，VAVX，OR设计在16V左右即可。11.确定绕组的导线直径对于绕组的导线的选择，需要考虑导线的电流密度，骨架宽度，绕线层数。辅助绕组和次级绕组必须密绕、绕满、绕平，达到良好的耦合（参见变压器结构设计）。当导线很长时（超过1m），电流密度通常为5A/mm2。当导线较短且匝数较少时，610A/mm2的电流密度也可以接受。应避免使用直径大约0.5mm的导线，以防严重的涡电流损耗并使卷绕更加容易。对于大电流输出，建议使用多股细线并绕的方式绕制次级绕组，这样可以减小集肤效应的影响。12.恒流电流ICC设定恒流电流ICC通过调节Rsense电阻设定，Rsense电阻值为：CSSENSEPVRI（22）其中，VCS为CS关断电压，典型值为0.9V。对于适配器来说，ICC为OCP过流点。三、INV分压电阻选取与输出线压降补偿图4 INV采样电路如图4，CR633X通过电阻RUPPER和RLOWER分压器采样辅助绕组去磁时间2/3处的电压，并保持到下一个采样周期。采样电压被送到INV脚与基准电压2.0V比较，误差被放大，误差放大器的COMP脚输出电压反映了负载情况，通过控制PWM频率来调节输出电压，达到恒压目的。当采样电压低于2.0V且Comp达到最大时，开关频率被采样电压控制，通过输出电压去控制输出电流，达到恒流目的。CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 8,2LOWERAVX ORUPPERLOWERRVRR（23）输出线压补偿可获得良好的负载调节，CR633X内部补偿电流IC流向电阻分压器导致INV脚上的电压失调，补偿电流与COMP脚电压成反比（图5），亦即补偿电流与负载电流成反比。因此，输出线损失的电压可以得到补偿。当负载从满载减小到空载，INV脚的失调电压增加，所以通过调整RUPPER和RLOWER阻值，可实现各种输出线压降补偿。图5 COMP电压与补偿电流曲线确定RUPPER阻值：SAVXUPPERCNVNRI（24）故核算线补偿率为：(/)100%2CUPPERLOWEROIRRVV（25）其中：IC典型值为42uA注意：RUPPER和RLOWER采用精度为1%的标准电阻。说明：1）、INV 脚需要对地加 1N4148（如图 4），钳制 MOS 导通时 INV 脚上的负压，以减小此负压对芯片的干扰。2）、INV 脚到 IC 的 GND 最好加一个几十 pF 的电容（一定要控制在 100pF 内），该电容作用在于平滑 INV 端采样电压平台波形，使采样电压更精确，以增加输出稳定性。四、假负载在空载或者很轻载时，很低的PWM频率将导致反馈信号的失真和输出电压的上升，应选择恰当的假负载电阻值，以将输出电压控制在最大输出电压规格范围内。由于假负载电阻同时也会增大空载功耗，在允许的情况下，选取其电阻值时要综合考虑空载输入功率及空载输出电压是否满足要求。对于充电器应用，为满足电池自放电要求，用一个串联电阻和稳压电路替代假负载电阻。不过，在没有此要求的设计中，可以使用一个标准电阻。CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 9五、初级箝位元件的选择对于RCD型电路，降低CC1的值并增大RC2的值，同时应将峰值漏极电压保持在550 V。如果CC1的值较大，则箝位电压（影响反馈绕组采样电压）的稳定时间会更长，从而可能导致更高的输出纹波电压。推荐CC1使用MYLA(涤纶)电容,Dc1使用1N4007。图6 RCD型箝位电路六、变压器结构设计由于采用原边反馈，所以辅助绕组和次级绕组耦合必须良好。建议的变压器结构如下所示：图7 变压器构造1.辅助绕组和次级绕组如图7示，必须密绕且绕满绕平，以获得良好的耦合；2.初级电感量容差控制在5%，漏感控制在初级感量的3%；3.变压器需要真空含浸，磁芯中柱点胶。七、关于变压器设计注意事项:1.建议调整变压器的初级电感量,让芯片满载工作频率在45kHz55kHz范围内（一般按50kHz设计合适），电源的OCP与满载设计点不宜偏差太多，最好不要超过1.5倍；2.变压器VCC绕组不宜绕的过多，一般按15V来设计辅助绕组匝数,最好让电源在满载与空载时VDD电压不能偏差过大，VDD满载电压控制到20V以内；3.INV外置下偏电阻的取值不宜低于3.6K，特别是在VCC绕组圈数较多的情况下。八、PCB布局指导对于高频开关的电流/电压，PCB布局是非常重要的设计。好的布局，有助于改善EMI性能和浪涌、ESD测试,如图8所示。CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 10?C?CS?C?put?F1D1D2D3D4L1C1C2C3C4C5C6R1R 2R3R7R5R6D5D6D71234R4DC?Output?图8 布局原理示意为了改善EMI性能和减小线频率纹波，整流器的首先连接到C1和C2，然后连接开关电路。高频电流路径C2 变压器 内置MOSFET R7 C2。这个环路的面积应尽量的小。保证布线（尤其4 1）宽、短。高压布线如MOSFET Drain，RCD箝位网络都要远离控制电路防止不必要的干扰。对于图中标识3，控制电路中的所有地需要先连接起来，然后再连接到其他电路。对于图中标识2，变压器辅助绕组，D5，C3的闭环面积要小。放置C3靠近CR633X的VDD脚，能获得良好的去耦效果。放置反馈电阻R5，R6靠近CR633X的INV脚，这样可以降低噪声耦合。放置补偿电容C5靠近CR633X的COMP脚。次级环路面积要最大程度上降低漏感和EMI，连接次级绕组、输出二极管及输出滤波电容的环路区域面积应最小。此外，与二极管的阴极和阳极连接的铜铂区域面积应足够大，以便用来散热。最好在安静的阴极留有更大的铜铂区域。阳极铺铜区域过大会增加高频辐射EMI。GND连接方式：3 2 4 1，可以避免Sense信号造成的共模阻抗干扰。GND连接方式：3 2 1 4，有助于ESD测试。在使用了Y电容的设计中，将EMI滤波器的电感放置在连接Y电容输入側的另一側，如图9。Y电容从次级地连接到C2电容的正极，然后到整流桥。如果Y电容连接到初级GND，那么直接连接到C2的负极（GND1）。5是Y电容的尖端放电设计，有助于ESD。根据安规要求，两尖端的爬电距离至少应为6毫米。DrainC1C2L1Y Capacitor51图9 Y电容连接示意CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 11参考电路1.CR6335_5V1A?C?CS?85265Vac?DCOutputF1D1D2D3D4L1C1C2C3C4C5C9C7R1R2R 3R6R7R8R10L2D5D6D7R9C8D8R4R56CR11VR1图10 CR6335宽电压输入5W原理图元器件清单元件规格元件规格F1Fuse,0.5A/250VacR10Resistor,510R,1/4W,5%D1D4Diode,General,1N4007R11Resistor,20R,1/4W,5%D5Diode,Fast,FR104,1A/400VC1,C2EC,4.7uF/400VD6Diode,General,1N4007C3EC,10uF/50VD7Diode,Schottky,SB340C4Capacitor,metal poly,1nF/630VD8Diode,IN4148C5Capacitor,ceramic,47pF/50VVR17D471C6Capacitor,ceramic,104/50VR1Resistor,2.2K,1/4W,5%C7EC,820uF/10V,LOW ESRR3、R2Resistor,1M,1/4W,5%C8Capacitor,ceramic，102p/50VR4Resistor,200K,1/2W,5%C9EC,820uF/10V,LOW ESRR5Resistor,220R,1/2W,5%L1Inductor,choke,1.0mH minR6Resistor,4R7,1/4W,5%L2Inductor,power choke,10uHR7Resistor,33K,1/4W,1%U1IC,CR6335R8Resistor,5.1K,1/4W,1%TTransformer,EE16，Lp=1.8mHNP:NS:NVCC=135T:12T:35TR9Resistor,2.4R,1/2W,1%CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 122.CR6336_9V800mA VDDCompINVCSGNDGNDDrainDrain+85265Vac+DCOutputF1D1D2D3D4L1C1C2C3C4C5C9C7R1R2R 3R6R7R8R10L2D5D6D7R9C8D8R4R56CR11VR1C?1图11 CR6336宽电压输入7.2W原理图元器件清单（BOM）元件规格元件规格F1Fuse,1A/250VacR11Resistor,30R,1/4W,5%D1D4、D6Diode,General,1N4007C1,C2EC,8.2uF/400VD5Diode,Fast,FR104,1A/400VC3EC,10uF/50VD7Diode,Schottky,SB360C4Capacitor,metal poly,1nF/630VD8Diode,IN4148C5Capacitor,ceramic,47pF/50VVR17D471C6Capacitor,ceramic,104/50VR1Resistor,2.2K,1/4W,5%C7EC,680uF/16V,LOW ESRR3、R2Resistor,1M,1/4W,5%C9EC,470uF/16V,LOW ESRR4Resistor,200K,1/2W,5%C8Capacitor,ceramic，102p/100VR5Resistor,220R,1/2W,5%L1Inductor,choke,820uH minR6Resistor,4R7,1/4W,5%L2Inductor,power choke,10uHR7Resistor,30K,1/4W,1%U1IC,CR6336R8Resistor,4.7K,1/4W,1%CY1Capacitor,Y2，1nF/250VACR9Resistor,1.8R,1/2W,1%TTransformer,EE19，Lp=1.5mHNP:NS:NVCC=125T:15T:26TR10Resistor,1K,1/4W,5%CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 133.CR6338_12V1A VDDCompINVCSGNDGNDDrainDrain+85265Vac+DCOutputF1D1D2D3D4L1C1C2C3C4C5C9C7R1R2R 3R6R7R8R10L2D5D6D7R9C8D8R4R56CR11VR1图11 CR6338宽电压输入12W原理图元器件清单（BOM）元件规格元件规格F1Fuse,1.5A/250VacR11Resistor,30R,1/4W,5%D1-D4、D6Diode,General,1N4007C1,C2EC,10uF/400VD5Diode,Fast,FR104,1A/400VC3EC,10uF/50VD7Diode,Schottky,SB3100C4Capacitor,metal poly,2.2nF/630VD8Diode,IN4148C5Capacitor,ceramic,47pF/50VVR17D471C6Capacitor,ceramic,104/50VR1Resistor,2.2K,1/4W,5%C7EC,680uF/16V,LOW ESRR3、R2Resistor,1M,1/4W,5%C8Capacitor,ceramic，102/100VR4Resistor,100K,1/2W,5%C9EC,680uF/16V,LOW ESRR5Resistor,220R,1/2W,5%L1Inductor,choke,330uH minR6Resistor,4R7,1/4W,5%L2Inductor,power choke,10uHR7Resistor,33K,1/4W,1%U1IC,CR6338R8Resistor,4.7K,1/4W,1%CY1Capacitor,Y2，1nF/250VACR9Resistor,1.2R,1/2W,1%TTransformer,EF20，Lp=1.2mHNP:NS:NVCC=100T:16T:19TR10Resistor,3.3K,1/4W,5%说明：熔断元件F1可以是保险丝，也可以是可熔电阻。如果选择使用可熔电阻，则电阻要选择阻燃类型的，并根据输入差模雷击测试要求选取绕线类型的电阻。避免使用金属膜或碳膜电阻，因为VACMAX反复施加至电源时，浪涌电流很容易造成这类电阻损坏。CR633X 应用设计指导书成成都启臣微电子有限公司更多产品信息请点击www.chipra 14版本记录版本说明日期V0.1草稿一2012/08V1.0正式版本2012/09V1.1更新 BOM 表参数2013/07V1.2增加变压器设计注意事项2014/6V1.3增加 CR63322014/7免责声明未经我司授权，该文件不得私自复制和修改。联系我们成都启臣微电子有限公司地址：成都高新技术产业开发区西部园区西芯大道四号创新中心 C341-343电话：+86-28-8784690087846946传真：+86-28-8782376687840665E-mail：alanzhusales深圳办事处地址：深圳市福田区福华路 110 号广业大厦北座 25E电话：+86-755-8303885583952565传真：[phone]启达科技（香港）有限公司（KWE Technology Co.,Ltd.）地址：Rm 804,Sino Centre,582-592,Nathan Road,Mongkok,Kln,HongKong电话：[phone]传真：[phone]