智能功率開(kāi)關(guān)電源IC設計

1 引言

開(kāi)關(guān)電源是近幾年電源市場(chǎng)的焦點(diǎn)之一,它最大的優(yōu)點(diǎn)是大幅度縮小變壓器的體積和重量,這樣就縮小了整個(gè)系統的體積和重量。一般說(shuō)來(lái),開(kāi)關(guān)電源的重量是線(xiàn)性電源的1/4,相應的體積大概是線(xiàn)性電源的1/3。所以開(kāi)關(guān)電源對低檔的線(xiàn)性電源,尤其是20W以下的線(xiàn)性電源構成了威脅,大有取而代之之勢。但是傳統的開(kāi)關(guān)電源除了PWM 和功率MOSFET之外還包括50個(gè)左右的分立元件,這不但增加了成本、體積,而且還使可靠性受到了影響。這主要是生產(chǎn)工藝上的原因,開(kāi)關(guān)電源在集成化上一直沒(méi)有突破。

近幾年,隨著(zhù)生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟,已經(jīng)能將低壓控制單元和高壓大功率管集成到同一塊芯片之中。TI、ON Semiconductor、Power、 Integrations等公司都已經(jīng)有類(lèi)似的產(chǎn)品,而國內則幾乎是一片空白。由于開(kāi)關(guān)電源在體積、重量、效率以及可靠性上的優(yōu)勢,它的研究和發(fā)展速度是驚人的。其主要應用領(lǐng)域有：①郵電通信：作程控交換機、移動(dòng)通信基站電源;②計算機：作為各種PC機、服務(wù)器、工業(yè)控制機的開(kāi)關(guān)電源;③家用電子產(chǎn)品：目前使用開(kāi)關(guān)電源的家用電子產(chǎn)品有電視機、影碟機等;④其他行業(yè)：如電力、航天、軍事等領(lǐng)域。

根據工藝的發(fā)展和市場(chǎng)的需要,將核心部分功率MOSFET和低壓PWM控制器集成在一塊芯片中。同時(shí),還具有過(guò)熱保護、過(guò)壓保護、欠壓鎖定、自動(dòng)重啟動(dòng)、過(guò)流保護等功能。這種新型的開(kāi)關(guān)電源集成電路給電源系統帶來(lái)了很多優(yōu)勢。該芯片交流輸入可直接從電網(wǎng)接入,應用功耗低,成本低,體積小,同時(shí)還提高了系統的穩定性,降低了成本,使電子工程師的設計更加簡(jiǎn)單。該芯片可用于驅動(dòng)一個(gè)單端接地電源系統,如接一個(gè)振蕩回掃的二次線(xiàn)圈變壓器后輸出一直流電壓。

2 工作原理

此開(kāi)關(guān)電源為一中頻集成模塊,設計頻率為 100kHz,最大占空比為70%,它包括一個(gè)恒頻脈寬調制器和一個(gè)高集成度電源開(kāi)關(guān)電路,其結構如圖1所示。這個(gè)組合開(kāi)關(guān)的高壓側可對從85~265V的交流電壓進(jìn)行連續控制,可以應用于多數常規電源系統。

通過(guò)一個(gè)光電耦合管,將負載變化情況反饋到芯片內部,反饋信號在2.7k的電阻上產(chǎn)生電壓降,經(jīng)過(guò)7kHz的低通濾波器,把高頻開(kāi)關(guān)噪音濾掉,以直流電壓形式輸入到PWM模塊進(jìn)行調節,產(chǎn)生占空比隨反饋信號變化的脈沖波,通過(guò)驅動(dòng)電路驅動(dòng)功率MOSFET,從而實(shí)現了PWM的調節。除此之外,功率MOSFET的源極接一電阻,來(lái)實(shí)現每周期的限流保護。

正常情況下,1/8分頻器輸出信號使得功率 MOSFET導通,若故障發(fā)生,它的輸出信號使得功率MOSFET關(guān)斷,并且它自身開(kāi)始計數,第1 個(gè)周期,功率MOSFET導通。若沒(méi)有排除,以此規律循環(huán)下去;若故障排除,則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。該IC外接變壓器,實(shí)現AC-DC功能后,不同規格的變壓器可獲得不同的直流電壓。

3 內部功能模塊介紹

3.1 振蕩器電路

如圖2所示,該振蕩器利用兩個(gè)比較器輪流導通,對電容進(jìn)行充放電,獲得了在電壓在2.7~4.1V震蕩的鋸齒波。其設計頻率為100kHz,占空比為 70%。對電容充放電時(shí),利用MOS管飽和區工作電流恒定的原理,實(shí)現恒流充放電。其等效簡(jiǎn)化電路模型如圖3所示。充電時(shí),開(kāi)關(guān)S合到3端,可得

DQ=DU×C (1)

且DU=4.1-2.7=1.4v (3)

式中,C = 40pF, IP=18.6mA,可以計算出T P=3ms。 放電時(shí),開(kāi)關(guān)S打到8端,可得

nbsp; 式中,IN=8mA,可以計算出 TN =7ms。

T=Tp+T N=10ms (5)

占空比的設計也是需要考慮的,當占空比提高后,整個(gè)IC及外接電路構成的電源效率都會(huì )提高。

但是又不能無(wú)限的提高,使之接近100%,這主要是變壓器磁通的建立和恢復是有時(shí)間限制的。同時(shí),長(cháng)時(shí)間的導通,功率MOSFET容易燒壞。

3.2 偏置電路

該電路采用三管能隙基準電源,如圖4所示。 T2的發(fā)射極電壓如式(6)所示。由公式可知,利用等效熱電壓 Vt的正溫度系數和Vbe 的負溫度系數相互補償,可使輸出基準電壓的溫度系數接近為零 (由于T6和T2的Vbe相同,所以輸出電壓 Vref和T2發(fā)射極電壓相同)。

3.3 PWM調制電路

由光耦管耦合過(guò)來(lái)的反應負載變化情況的信號首先經(jīng)過(guò)一個(gè)7kHz的低通濾波器,然后送到PWM比較器和振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較,從而實(shí)現脈寬調制。該低通濾波器的頻率響應為

可作為設計參數使用。

3.4 過(guò)壓保護,欠壓鎖定電路

設計的內部電路工作電壓環(huán)境為7.5~8.6V,該電路如圖5所示,由比較器C1,C2和電阻R1 、R2、R3、R 4組成。由于遲滯比較器的作用,當Vcc 處于7.5~8.6V時(shí),IC正常運行。當Vcc >8.6V時(shí),C1輸出高電平,直接使放電NMOS管導通,進(jìn)行放電。該NMOS管設計得比較大,這樣可以迅速地放電,使IC及時(shí)地回到安全狀態(tài)。若該 Vcc故障仍然存在,將用八分頻計數器來(lái)計數。這個(gè)八分頻計數器使得功率MOSFET關(guān)閉,電容將在8個(gè)連續周期內反復充放電,8個(gè)周期后,若故障排除,整個(gè)IC進(jìn)入正常工作狀態(tài),功率MOSFET開(kāi)通。這種設計可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當內部工作電壓Vcc7.5V時(shí),C1輸出一低電平,關(guān)閉驅動(dòng),同時(shí)驅動(dòng)高壓?jiǎn)?dòng)電路,對外接10μF電容進(jìn)行充電。同時(shí),該低電平也送入計數器計數,這樣便實(shí)現了自啟動(dòng)功能。一般說(shuō)來(lái)Vcc 7.5V,是由負載短路或過(guò)載引起電源變壓器的附加線(xiàn)圈輸出電壓失落,沒(méi)有足夠的電壓對芯片供電所致。

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