提高電源模組可靠度 低功率返馳式PWM IC建功
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成本考量擺第一 六接腳PWM IC封裝成主流
圖1所示為典型返馳式PWM IC的應用線(xiàn)路，其中，圖1a是使用高壓?jiǎn)?dòng)的PWM IC；圖1b則是使用低壓?jiǎn)?dòng)的PWM IC?！?/span>
圖1 典型返馳式PWM IC應用線(xiàn)路示意圖
兩者主要差異為高壓?jiǎn)?dòng)的PWM IC將整流過(guò)后的直流高壓接至HV接腳，再藉由HV接腳以定電流的方式對Vcc接腳上的電容充電，直到IC啟動(dòng)為止?！?/span>
而低壓?jiǎn)?dòng)PWM IC則從交流輸入(AC Line)端透過(guò)啟動(dòng)電阻對Vcc接腳上的電容充電讓IC工作。以圖1b為例，線(xiàn)路上主要可區分為幾個(gè)部分，一是由開(kāi)關(guān)晶體、變壓器和整流二極體組成返馳式架構，另外由TL431和光耦合器組成二次側電壓回授，最后是由PWM IC及周邊零件構成的控制部分?！?/span>
值得一提的是，在5～70瓦(W)的應用中，返馳式PWM IC目前常用的封裝有八接腳的SOP8與DIP8，以及六接腳的SOT26。以通嘉科技產(chǎn)品為例，如圖2所示是典型八接腳反馳式PWM IC的腳位圖，其主要以高壓?jiǎn)?dòng)為主，接腳功能包括HV接腳接至AC整流后端，提供IC開(kāi)機前的啟動(dòng)電流，在IC工作后，即停止啟動(dòng)電流的輸出；NC接腳則無(wú)作用，主要是增加HV接腳與其他低壓接腳的安全距離?！?/span>
圖2 SOP8/DIP8 PWM IC接腳說(shuō)明圖
此外，Vcc接腳提供IC的工作電源，在啟動(dòng)前由HV接腳提供啟動(dòng)電流，當啟動(dòng)后改由變壓器的輔助繞圈提供；OUT接腳為輸出驅動(dòng)開(kāi)關(guān)電晶體的PWM波形；CS接腳負責開(kāi)關(guān)晶體的電流偵側；補償接腳(COMP)做回授補償用；GND接腳做為IC的地?！?/span>
其中第一支接腳提供可選擇性的特別功能，它的特別功能大致上有下列幾種：RT提供可調整的工作頻率；CT提供可調整的過(guò)負載保護延遲(OLP Delay)時(shí)間；BNO提供可調整的開(kāi)關(guān)機電壓；Latch用來(lái)做外部過(guò)溫保護(OTP)或其他保護功能?！?/span>
另一方面，圖3是典型六接腳返馳式PWM IC的腳位圖，它與八接腳封裝最主要的差異是在HV接腳與NC接腳，其他功能腳位則與八接腳包裝的幾乎相同。由于各家廠(chǎng)商都不斷的在做降低成本(Cost Down)的動(dòng)作，SOT26的封裝價(jià)格比SOP8低大約三到五成，使得SOT26包裝的PWM IC有逐漸成為市場(chǎng)主流的趨勢。目前各家IC設計公司都致力開(kāi)發(fā)功能更強且價(jià)格便宜的新產(chǎn)品，讓電源設計工程師們可以更容易又快速設計出符合規格的產(chǎn)品?！?/span>
圖3 SOT26 PWM IC接腳說(shuō)明圖
低壓?jiǎn)?dòng)優(yōu)勢顯 六接腳封裝效益多
以六接腳SOT26封裝PWM IC而言，未來(lái)應用發(fā)展前景一片光明，包括可應用于極低的Vcc啟動(dòng)電流(Startup Current)與工作電流，如圖4所示是一般低壓?jiǎn)?dòng)的線(xiàn)路，在Vcc接腳電壓低于IC啟動(dòng)電壓觸發(fā)點(diǎn)(UVLO_on)時(shí)，IC本身就會(huì )有內部邏輯消耗的電流，一般在IC規格上稱(chēng)為啟動(dòng)電流。而啟動(dòng)時(shí)間大約可以用下式計算得知?！?/span>
圖4 低電壓PWM IC啟動(dòng)線(xiàn)路示意圖
…(公式1)其中，VUVLO(on)為Vcc的啟動(dòng)電壓觸發(fā)點(diǎn)；Vac為輸入的交流電壓；Istartup系IC Vcc的啟動(dòng)電流。而Cvcc則是Vcc接腳上的電容器容量；Rstart為啟動(dòng)電阻?！?/span>
由于低壓?jiǎn)?dòng)IC的啟動(dòng)電流對開(kāi)機的時(shí)間影響很大，從公式1可得知在使用相同的啟動(dòng)電阻與Vcc電容器的前提下，當啟動(dòng)電流越小時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間也會(huì )較??；換句話(huà)說(shuō)，若啟動(dòng)時(shí)間要求相同時(shí)，較小的啟動(dòng)電流則可使用更大的啟動(dòng)電阻，而較大的啟動(dòng)電阻其功率損耗也較小，可獲得更低的無(wú)載或是輕載輸入功率?！?/span>
除啟動(dòng)電流外，IC的工作電流也對輕載與無(wú)載時(shí)的效率影響很大，目前很多規格都有待機功耗的要求，所以省電IC是必要的，但IC要達到小的電流損耗則帶來(lái)設計的考驗。以通嘉科技新一代的PWM IC來(lái)說(shuō)，都具有極小的啟動(dòng)電流與工作電流，在啟動(dòng)時(shí)間與無(wú)載/輕載效率表現優(yōu)異?！?/span>
與此同時(shí)，由于SOT26的封裝只有六個(gè)腳位，除一般常用的固定腳位外，若想要增加其他的功能，已無(wú)其他腳位可以使用。此時(shí)若想要使IC有更多功能，則可利用一個(gè)腳位兼納多功能的方式完成，以增加整個(gè)IC功能?！?/span>
目前通嘉已有開(kāi)發(fā)類(lèi)似的IC，例如CS接腳與補償接腳功能共用腳位，如此即可省下一個(gè)空腳位做其他應用；另外在功能腳位上與過(guò)溫保護功能共用同一腳位，形成所謂的復合功能腳位，可達到六接腳 IC同時(shí)具有此兩大功能的效果。
精簡(jiǎn)線(xiàn)路復雜度/成本 PWM IC導入OCP/OVP
至于電源供應器為預防在不正常工作下過(guò)熱，通常會(huì )規定要有過(guò)電流保護(OCP)的規格。如圖5所示，該功能通常在二次側上增加過(guò)電流保護線(xiàn)路，不過(guò)這樣會(huì )增加成本及線(xiàn)路復雜度?，F在大家逐漸偏向采用PWM IC本身的過(guò)電流保護來(lái)完成這項規格要求(公式2)?！?/span>
圖5 二次側外加過(guò)電流保護線(xiàn)路示意圖
……………公式2其中，Lp代表變壓器感值；Vcs_off為電流偵側電壓點(diǎn)；Rsense系電流偵側電阻；Fsw則是工作頻率。由公式2可發(fā)現，對IC而言，影響過(guò)電流保護的主要參數是工作頻率和電流偵側電壓，故若提升這兩個(gè)參數的精準度，相對也可縮小系統過(guò)電流保護的誤差?！?/span>
不過(guò)在IC設計而言，若要提升精準度，大都使用微調(Trim)的方法，勢必也會(huì )增加IC電路的復雜度與成本。另由于現在電源皆須使用在全范圍(Full Range)電壓輸入的操作，此時(shí)IC內部過(guò)電流補償的準確度也會(huì )影響到過(guò)電流保護點(diǎn)的分布。值得慶幸的是，新一代PWM IC過(guò)電流保護已可達到在120～150%范圍內，符合市場(chǎng)需求?！?/span>
另一方面，一般傳統電源若須做到較精準的過(guò)電壓保護(OVP)，如圖6所示，須在二次側增加過(guò)電壓保護的線(xiàn)路。通常在做過(guò)電壓保護測試時(shí)，常見(jiàn)做法是將回授的光耦合器二次側端短路，此時(shí)若將二次側過(guò)電壓保護的線(xiàn)路控制接至此處，會(huì )造成過(guò)電壓保護失效的情形。所以，通常使用二次側過(guò)電壓保護線(xiàn)路時(shí)會(huì )增加另一個(gè)光耦合器去做過(guò)電壓保護控制。同樣的，該做法也會(huì )增加線(xiàn)路的復雜度與成本?！?/span>
圖6 二次側外加過(guò)電壓保護線(xiàn)路示意圖
此外，有時(shí)也會(huì )利用IC Vcc接腳上的過(guò)電壓保護功能達成電源供應器保護動(dòng)作，如圖7所示，該方案主要是利用輔助繞組整流后，供給Vcc的電壓去做過(guò)電壓保護，但此種做法在輸出輕載與重載時(shí)，過(guò)電壓的保護點(diǎn)會(huì )有差異。特別是在輕載時(shí)的OVP電壓會(huì )比在重載時(shí)高出許多，還有一個(gè)問(wèn)題則是變壓器與輔助繞組的整流二極體的參數特性皆會(huì )影響到過(guò)電壓保護的電壓點(diǎn)，使用時(shí)須注意?！?/span>
圖7 利用IC Vcc做過(guò)電壓保護
因此，要靠PWM IC來(lái)實(shí)現精準輸出過(guò)電壓保護功能，來(lái)簡(jiǎn)化電源電路的設計，已有廠(chǎng)商提出相關(guān)專(zhuān)利，并應用在新產(chǎn)品當中，強化新一代PWM IC的競爭力。顯而易見(jiàn)，新一代的PWM IC除了節能以外，也須提升其他的相關(guān)功能表現，如過(guò)電壓保護及過(guò)電流保護等?！?/span>
優(yōu)化PSR線(xiàn)路布局 減少設計占位空間
若針對市場(chǎng)應用來(lái)看，現在有很多小型充電器(Charger)或發(fā)光二極體(LED)照明產(chǎn)品，由于空間上的限制，常會(huì )使用一次側電壓回授穩壓技術(shù)，如圖8所示為通嘉LD7511一次側電壓回授穩壓線(xiàn)路圖，該架構最主要的好處是可以省掉光耦合器與二次側TL431的相關(guān)元件，大幅簡(jiǎn)化整個(gè)電源線(xiàn)路，藉以節省設計空間及成本?！?/span>
圖8 一次側回授線(xiàn)路示意圖
不過(guò)使用一次側電壓回授穩壓還是存在著(zhù)一些問(wèn)題，像是不同變壓器的誤差或是不同二次側整流二極體的特性，還有開(kāi)關(guān)造成的電壓突波等，都會(huì )影響到電壓調節準確度。其次它的暫態(tài)響應也比傳統二次側電壓回授來(lái)得差，也是須加強改進(jìn)的缺點(diǎn)?！?/span>
滿(mǎn)足最大負載/ESD需求 PWM IC設計小心翼翼
另外，新一代的PWM IC也須關(guān)注瞬間最大負載(Peak Load)的需求，舉例來(lái)說(shuō)，早期印表機電源皆有瞬間最大負載的規格，且可能是額定負載(Rated Load)的二倍甚至三倍，時(shí)間可能從幾十毫秒(ms)至幾百毫秒不等。隨著(zhù)筆記型電腦快速的發(fā)展，近來(lái)筆電變壓器(Adaptor)也開(kāi)始有最大負載的需求，因此，在PWM IC設計方面，目前常見(jiàn)的解決方案有瞬間最大負載及兩段式過(guò)電流保護兩種方式?！?/span>
前者顧名思義是在瞬間最大負載抽載時(shí)，將其切換頻率提升至正常工作頻率的二倍或三倍，優(yōu)點(diǎn)在于瞬間最大負載將工作頻率提高時(shí)，可降低變壓器一次側的最大電流峰值(Peak Current)，相對也降低磁通密度，使變壓器更不易在最大負載時(shí)產(chǎn)生飽和，如此一來(lái)，即可維持原先使用的變壓器，而達到更高瞬間功率的輸出，且變壓器不必使用最大的瞬間功率來(lái)設計?！?/span>
圖9是補償接腳電壓與工作頻率的曲線(xiàn)圖，當補償接腳電壓大于正常負載的電壓時(shí)，除過(guò)負載保護計時(shí)器(Timer)會(huì )開(kāi)始計數外，工作頻率也會(huì )隨著(zhù)補償接腳的電壓變高而變高。因此，須搭載具最大負載升頻功能的IC，以在不大幅變更設計的情況下，達到最大負載的要求?！?/span>
圖9 Comp接腳電壓與工作頻率曲線(xiàn)關(guān)系圖
緊接著(zhù)，兩段式過(guò)電流保護是在CS接腳上使用兩個(gè)比較器(Comparator)去偵側過(guò)電流，如圖10所示，第一個(gè)過(guò)電流保護的比較器用來(lái)設定系統過(guò)電流保護值；第二個(gè)過(guò)電流保護的比較器是最大電流峰值的保護。當第一個(gè)比較器觸發(fā)時(shí)，OLP delay1的時(shí)間會(huì )開(kāi)始計數，以達
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