一種低價(jià)簡(jiǎn)易電源的設計

隨著(zhù)新一代機頂盒,高清晰度電視進(jìn)入普通家庭，此類(lèi)產(chǎn)品的銷(xiāo)售價(jià)格將進(jìn)一步下降。如何降低此類(lèi)產(chǎn)品成本是許多開(kāi)發(fā)工程師重要的任務(wù)之一。介紹了一種簡(jiǎn)易低價(jià)電源控制器(SC2618)。此電源控制器在5V，12V，和24V輸入的電子產(chǎn)品中有較好的應用。

關(guān)鍵詞：PWM控制器SC2618；低價(jià)；設計

0 引言

AC/DC開(kāi)關(guān)電源通常需要有多組輸出隔離并由一原邊電源控制器控制輸出電壓和電流。一般來(lái)講，這種多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩定的輸出電壓可以通過(guò)線(xiàn)性穩壓管達到。由于新一代電子產(chǎn)品需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價(jià)高效率開(kāi)關(guān)電源，這就促使了分散式電源模式的采用。為了趕上電子產(chǎn)品飛快的更新節奏，產(chǎn)品設計工程師更傾向于選擇在市場(chǎng)上很容易采購到的AC/DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統的線(xiàn)路板上。由于系統主芯片的電壓越來(lái)越低而電流越來(lái)越大，而傳統的線(xiàn)性穩壓管只能應用于高電壓和低電流，于是如何提供一系列價(jià)格低廉，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，性能齊全的直流開(kāi)關(guān)電源控制芯片，便成了許多電源芯片廠(chǎng)家的主要任務(wù)之一。Semtech International已推出一款低價(jià)簡(jiǎn)易同步式降壓控制芯片（SC2618）。本文介紹一個(gè)只需較少外圍元器件就可實(shí)現低電壓、高效率的降壓電源。

1 工作原理

圖1是一個(gè)經(jīng)常在機頂盒、液晶電視和其它電子產(chǎn)品上用到的板上直流電源線(xiàn)路圖。此類(lèi)電源的輸入電壓由AC/DC適配器提供，大多數為12V或5V，少數為24V，輸出1.8V、3.5A。圖1所示SC2618是一6管腳SOT－23小封裝芯片，它能接收4.5～14V工作電壓并有一個(gè)1.25V內部電壓基準，0.5A的場(chǎng)效應管驅動(dòng)能使電源的輸出電流達到10A。SC2618不需要反饋補償電路。

圖1 SC2618簡(jiǎn)易同步降壓電源（5V/12V輸入，1.8V/3.5A輸出）

1.1 開(kāi)關(guān)頻率計算

由圖1可看到，一組分壓電阻（R6，R8）將輸出電壓信息反饋給SC2618內部比較器的負端(SC2618FB)。此比較器的正端與1.25V電壓基準相連接（見(jiàn)圖2）。如果輸出電壓低于用戶(hù)所設定的數值，高端的場(chǎng)效應管將被導通并一直導通到輸出電壓回升到設定的數值以上。同樣的道理，如果輸出電壓高于用戶(hù)所設定的數值，高端的場(chǎng)效應管將被關(guān)斷而低端的場(chǎng)效應管將被導通并一直導通到輸出電壓下降到設定的數值以下。

圖2 SC2618內部比較器電路

這種芯片模式將會(huì )使一個(gè)降壓式電源工作在以下任何一種模式：

1）上端場(chǎng)效應管導通1μs；

2）下端場(chǎng)效應管導通1μs；

3）上/下端場(chǎng)效應管各導通1μs。

由于SC2618內置上/下端場(chǎng)效應管最低導通時(shí)間是1μs，電源的開(kāi)關(guān)頻率可由圖3推斷出。

圖3 SC2618開(kāi)關(guān)頻率與占空比關(guān)系圖

下面用一個(gè)降壓式電源例子來(lái)解釋圖3的應用。假入電源輸入電壓是12V，輸出電壓是1.8V，此電源的占空比為0.15（1.8/12）。從圖3可看到占空比為0.15時(shí)開(kāi)關(guān)頻率是150kHz。如果電源的輸入電壓是12V，輸出電壓是5V，那么該電源的占空比大約為0.42，開(kāi)關(guān)頻率是420kHz。

如果上端場(chǎng)效應管導通時(shí)間（ton）小于下端場(chǎng)效應管導通時(shí)間（toff），占空比（D）小于0.5，那么開(kāi)關(guān)頻率由式（1）表示。

fs=D/1μs（Hz）（1）

如果上端場(chǎng)效應管導通時(shí)間（ton）大于下端場(chǎng)效應管導通時(shí)間（toff），占空比（D）大于0.5，那么開(kāi)關(guān)頻率由式（2）表示。

fs=(1－D)/1μs（Hz）（2）

1.2 啟動(dòng)過(guò)程

SC2618的啟動(dòng)過(guò)程是這樣的：一旦輸入電壓接到SC2618的腳Vcc，上端場(chǎng)效應管驅動(dòng)（DH）和下端場(chǎng)效應管驅動(dòng)（DL）還不產(chǎn)生信號，一直到Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護點(diǎn)（一般為4.5V）才會(huì )產(chǎn)生高信號。芯片內部軟啟動(dòng)電流源開(kāi)始向內部軟啟動(dòng)電容充電，這時(shí)DH是低信號而和DL是高信號。當芯片內部軟啟動(dòng)電容電壓達到一定值以后，上端場(chǎng)效應管和下端場(chǎng)效應管開(kāi)始交錯工作。電源輸出電壓會(huì )開(kāi)始慢慢地升高。SC2618內部軟啟動(dòng)時(shí)間一般為100μs。如果腳Vcc上的電壓在正常工作時(shí)突然跌到芯片輸入欠壓保護點(diǎn)以下，芯片內部軟啟動(dòng)電容開(kāi)始放電。當芯片內部軟啟動(dòng)電容電壓跌到一定值以后，上下端場(chǎng)效應管導通時(shí)間會(huì )慢慢地減小一直到完全關(guān)斷。

1.3 輸出短路保護

輸出短路保護是通過(guò)比較SC2618反饋端電壓（VFB）和它的1.25V內部電壓基準電壓。在正常工作時(shí)如果反饋端電壓小于基準電壓200mV，SC2618立刻關(guān)斷上端場(chǎng)效應管，同時(shí)內部軟啟動(dòng)電容開(kāi)始放電。如果輸出短路是發(fā)生在軟啟動(dòng)過(guò)程中，必須等軟啟動(dòng)結束才能徹底關(guān)斷場(chǎng)效應管并開(kāi)始軟啟動(dòng)電容放電。一旦軟啟動(dòng)電容放電結束，新的一輪軟啟動(dòng)又開(kāi)始。整個(gè)保護過(guò)程是，SC2618反饋端電壓小于基準電壓200mV齔⌒в管關(guān)斷→軟啟動(dòng)電容放電→軟啟動(dòng)電容充電→場(chǎng)效應管導通。

2 電源元器件計算

由于SC2618不需要反饋補償電路，整個(gè)電源所需要設計的參數只包括，輸出電感、輸出電容、反饋分壓電阻、輸入電容、場(chǎng)效應管。

2.1 輸出電感

輸出電感的選擇/設計基于輸出DC和瞬態(tài)的要求。大的電感可減小輸出紋波電流和電壓，但是在負載瞬變過(guò)程中響應變慢。小的電感可得到低的直流銅損，但是交流磁芯損耗和交流繞線(xiàn)電阻損耗會(huì )變大。折衷的方法是選擇電感紋波電流峰—峰值為輸出額定電流的20％～30％。

假定電感紋波電流（峰—峰值）是負載直流電流的20％，那么輸出電感由式（3）計算。

L=（3）

以圖1為例，Vin=12V，VO=1.8V，IO=3.5A，fOSC=150kHz，則L=14.5μH?？蛇x用市場(chǎng)上很容易采購到的15μH/5A表面貼裝電感。

2.2 輸出電容

輸出電容按照輸出電壓紋波和負載動(dòng)態(tài)變化要求來(lái)選擇。輸出電感產(chǎn)生的紋波電流在輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）上產(chǎn)生輸出電壓紋波（VRIPPLE）。為了滿(mǎn)足輸出電壓紋波要求，輸出電容的ESR必須滿(mǎn)足式（4）。

ESR（4）