MC33370系列單片開(kāi)關(guān)集成電路及其應用

摘要：MC33370系列IC產(chǎn)品是美國摩托羅拉（Motorola）公司新近推出的五端單片開(kāi)關(guān)電源集成電路。該系列產(chǎn)生具有較完善的工作狀態(tài)控制能力。本文闡述了它們的性能特點(diǎn)、內部結構和工作原理，并對其狀態(tài)控制方式進(jìn)行了較為詳細的分析，最后給出了構成并關(guān)電源的典型實(shí)例。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)穩壓電源 MC33370 可編程狀態(tài)控制器

1 概述

開(kāi)關(guān)穩壓電源以其小型化、重量輕和高效率而成為電源發(fā)展的方向，并且正在逐步替代串聯(lián)調整式穩壓電源。美國摩托羅拉（Motorola）公司推出的MC33370系列五端單片開(kāi)關(guān)電源集成電路具有MC33369～MC33374等五種規格，共17種型號。與美國動(dòng)力（Power）公司生產(chǎn)的TOPSwitch系列三端單片開(kāi)關(guān)電源相比，該系列增加了電源端和狀態(tài)控制端兩個(gè)引出腳，特別是其內部新增了可編程（開(kāi)/關(guān)）狀態(tài)控制器，因此可通過(guò)其輸入端，并配合手動(dòng)按鍵、微控制器（MCU）、數字電路方式來(lái)完成對電源工作模式的選擇。這使得其控制功能更中完善，使用更加靈活，性能價(jià)格比更加優(yōu)越，可成為設計單片開(kāi)關(guān)電源的首選集成電路之一。

2 MC33370系列的分類(lèi)及特點(diǎn)

該產(chǎn)品有三種封裝形式：DIP-8雙列直插式（P后綴），TO-220直列式（TV后綴），TO-220直彎式（TV后綴）。表1以TO-220直列式封裝為例說(shuō)明了MC33370系列的部分產(chǎn)品分類(lèi)。

表1 MC3370系列部分產(chǎn)品分及最大輸出功率

該系列的性能特點(diǎn)如下：

●該系列IC較TOPSwitch系列增加了電源端和狀態(tài)控制器的輸入器。其狀態(tài)控制端利用可編程控制器及外部模式選擇電路可實(shí)現多種控制方式，并可實(shí)現電源工作狀態(tài)和備用狀態(tài)之間的切換。同時(shí)該芯片內部還增加了欠壓鎖定比較器、外部關(guān)斷電路和狀態(tài)控制器，因而其性能價(jià)格比更優(yōu)，外圍電路更趨簡(jiǎn)單；

●其功率開(kāi)關(guān)管由一只高壓結場(chǎng)型場(chǎng)效應管（JEET）和一只低壓MOS場(chǎng)效應管（MOSFET）串聯(lián)而成，該結構被稱(chēng)為“敏場(chǎng)效應管”電流傳感式功率開(kāi)關(guān)管，利用它可無(wú)功耗地實(shí)時(shí)檢測出漏極電流的大小并進(jìn)行過(guò)流保護，而從提高電源效率；

●當交流電壓為固定值或變化量不超過(guò)±20%時(shí)，可以省掉高頻變壓器的反饋線(xiàn)圈以及相應的高頻整流濾波元件。這有助于簡(jiǎn)化外圍電路、減少體積、降低成本；

●占空比調節范圍寬達0.1～74%。而POWER公司的TOPSwitch-Ⅱ為1.7%～67%；

●電源效率高。由它構成的單片開(kāi)關(guān)電源或電源模塊的效率可達80%以上，而備用狀態(tài)下的靜態(tài)功耗僅為幾十至幾百毫瓦；

●芯片溫度特性有了進(jìn)一步提高，過(guò)熱保護溫度典型值為157℃（TOPSwitch-Ⅱ的設計參數為135℃）。

3 管腳結構及工作原理

3.1 管腳結構

MC33370系列IC的管腳排列如圖1所示。

在MC33370系列IC中，采用DIP-8封裝的產(chǎn)品增設了4個(gè)GND端，但仍等效于五端器件，下面簡(jiǎn)述其各管腳功能。

Vcc（1腳）為工作電源電壓的輸入端，當Vcc>8.5V時(shí)，啟動(dòng)電路中的MOS場(chǎng)效應管立即關(guān)斷，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)始工作。當開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)載或短路故障而命名Vcc小于7.5V時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管將會(huì )關(guān)斷，而此時(shí)供啟動(dòng)用的MOS場(chǎng)效應管將開(kāi)始工作。

FB（2腳）為反饋輸入端，通過(guò)該端可將反映開(kāi)關(guān)電源輸出電壓高低的反饋電壓經(jīng)內部電阻接至誤差放大器的反相輸入端，以調節PWM比較器輸出脈沖的占空比，從而控制功率開(kāi)關(guān)管的通、斷時(shí)間。

GND（3腳）為接地端，該端除作為控制電路和功率開(kāi)關(guān)管的公共接地端以外，還可兼作器件散熱器的地端。

SCI（4腳）為狀態(tài)控制的輸入端，該端只需外接少許外圍元件即可用多種方式來(lái)控制變換器的工作狀態(tài)。

D（5腳）為功率開(kāi)關(guān)的漏極引出端，該端能直接驅動(dòng)高頻高壓器初級，并與內部啟動(dòng)用MOS場(chǎng)效應管的漏極相連。

3.2 MC33370系列器件的工作原理

MC33370系列IC的內部結構及工作原理如圖2所示。

在電路啟動(dòng)階段，交流電壓經(jīng)整流后從5腳直接加到啟動(dòng)電路，然后用啟動(dòng)電路給Vcc端的旁路電容充電。當Vcc升至工作閾值電壓8.5V時(shí)，啟動(dòng)電路被關(guān)斷，啟動(dòng)過(guò)程自動(dòng)完成，芯片轉入正常工作狀態(tài)。

在正常工作狀態(tài)，器件通過(guò)反饋線(xiàn)圈及外接取樣電路從2腳輸入反饋電壓。該反饋電壓首先在并聯(lián)調整器/誤差放大器中進(jìn)行緩沖放大，接著(zhù)由IFB在反饋電阻RFB上形成誤差電壓Vr，然后用Vr來(lái)調節PWM比較器的輸出脈占空比，以控制功率開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間。當輸出電壓上升時(shí)，采樣電阻RFB上端的誤差電壓Vr也升高。而在與振蕩器輸出的鋸齒波比較后，輸出電壓的占空比將減少，從而使開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓隨之下降。反之亦然。

與TOPSwitch系列相比，MC33370系列IC芯片的突出結構特點(diǎn)是在內部增加了欠壓鎖定比較器、外部關(guān)斷電路和可編程狀態(tài)控制器。

其中欠壓鎖定比較器的功能是在電源正常工作之前，使芯片內部各電路做好準備工作，并檢測第2腳的反饋電壓。當VFB>8.5V時(shí)，器件將接通內部偏置電壓而使功率開(kāi)關(guān)管工作。

外部關(guān)斷電路的功能是防止開(kāi)關(guān)電源因突然發(fā)生空載現象而導致輸出電壓的急劇升高，它由外部關(guān)斷電路和觸發(fā)器來(lái)實(shí)現。當從外部流入關(guān)斷電路的反饋電流大于關(guān)斷門(mén)限電流（60mA）時(shí)，關(guān)斷觸發(fā)器將功率開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，從而起到保護作用。

狀態(tài)控制器配以少量外圍元器件便可構成多種類(lèi)型的智能控制開(kāi)關(guān)電源通/斷電路，以完成對電源備用模式或工作模式的選擇。其控制信號可由外部按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生，也可以是微控制器輸出的經(jīng)光耦隔離的信號或二者的組合信號等。圖3分別給出了幾種控制方式原理圖。

在手動(dòng)控制模式中，按鍵開(kāi)關(guān)每接通一次，即產(chǎn)生一個(gè)低電平的觸發(fā)請求信號，該信號通過(guò)狀態(tài)控制器來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的工作工作，從而使開(kāi)關(guān)電源在工作模式和備用模式之間轉換。

在微控制器控制模式中，微控制器可根據程序執行情況，確定開(kāi)關(guān)電源是否進(jìn)入以及何時(shí)進(jìn)入備用狀態(tài)。觸發(fā)請求按鍵用于將開(kāi)關(guān)電源置于工作狀態(tài)，如果電源已經(jīng)處于工作狀態(tài)，則該按鍵將不起作用。

低壓保護控制用來(lái)在電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)電源的輸出，其交流輸入電壓u經(jīng)整流濾波后得到的直流高壓V1可加至穩壓二極管VDz的負極，當u出現低壓時(shí)，將使狀態(tài)控制器輸入低電平（1.8V），此時(shí)狀態(tài)控制器將迫使開(kāi)關(guān)電源立即從工作模式轉入備用模式；當u恢復到正常值后，狀態(tài)控制器的輸入端變成高電平，從而通過(guò)狀態(tài)控制器內部的置位比較器又將開(kāi)關(guān)電源從備用模式轉入工作模式。

數字信號控制模式可利用數字信號來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源的通斷，當數字信號為低電平進(jìn)，晶體管VT截止，并由上拉電阻R使狀態(tài)控制器輸入高電平，從而使開(kāi)關(guān)電源處于工作狀態(tài)；當數字脈沖信號為高電平時(shí)，晶體管VT導通，狀態(tài)控制器輸入低電平，再使內部觸發(fā)器比較器翻轉，從而將開(kāi)關(guān)電源又轉入備用狀態(tài)。

禁用狀態(tài)控制模式有兩種方式，其作用是在不需要對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行通/斷操作時(shí)使狀態(tài)控制端失效。其中方式一是采用上拉電阻R（要求R>5.0kΩ）來(lái)保證正常的電路啟動(dòng)。而方式二則是利用在該端與地之間接入的一個(gè)小電容CST來(lái)防止懸空后外界干擾造成狀態(tài)控制器的誤操作。

4 典型應用

MC33370系列單片開(kāi)關(guān)電源的應用非常廣泛，可用來(lái)構成輸出功率在150W以下的各種開(kāi)關(guān)電源，圖4給出了采用MC33374設計的15V/90W高精度開(kāi)關(guān)電源的應用電路，其交流輸入電壓的允許變化范圍為92～276V。

圖4中，交流電網(wǎng)電壓經(jīng)整流橋VD1～VD5和濾波電容C1整流濾波后進(jìn)入初級保護電路。初級保護電路由R2、C2組成的吸收電路和由VDZ、VD5組成的箝位電路構成，它們能有效地抑制因高頻變壓器存在的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓。次級高頻整流管VD7選用大電流、低壓降的肖特基二極管MBT20100CT，由8、C11、L、C12、C13組成輸出濾波電路?？烧{試并聯(lián)穩壓器IC3構成外部誤差放大器，它與光耦合器IC2（MOC8103）一起構成光耦反饋電路并將反饋電壓加至MC33374的反饋端。當輸出電壓V0發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)分壓電阻R5、R6分壓后得到的取樣電壓與IC2中的基準電壓進(jìn)行比較，以產(chǎn)生外部誤差電壓，再通過(guò)光耦合器使IC1和2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應的變化，并以此來(lái)調節輸出占空比，從而達到穩壓的目的。C14是一個(gè)可防止高頻變壓器初次級間耦合電容造成共模干擾的濾波電容，C4、R7和SB按鈕開(kāi)關(guān)一起構成了手動(dòng)觸發(fā)式狀態(tài)控制器，C4為控制環(huán)路的補償電容。R4為L(cháng)ED的限流電阻。

5 結束語(yǔ)

近年來(lái)，電源技術(shù)得到了快速發(fā)展。世界各國也在加緊研制新型開(kāi)關(guān)電源，其中包括一些新的理論、新的電路方案和新的功率器件，從而使得新型開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到迅速發(fā)展，目前采用表面安裝技術(shù)（SMT）和表面安裝元器件技術(shù)（SMD）的開(kāi)關(guān)電源模塊的電源性能和可靠性已大大提高，并為儀器儀表、通信技術(shù)、計算機和家電產(chǎn)品的發(fā)展打下了良好的基礎。