離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源設計淺析
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開(kāi)關(guān)電源(Switched mode power supplies, SMPS）由于在體積、重量和效率等多方面的優(yōu)勢，已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應用于計算機、通信和家用電器等領(lǐng)域。電視、機頂盒和錄像機等家電設備大都在使用這種電源，用于手機、PDA甚至電動(dòng)牙刷的許多電池充電器也在使用開(kāi)關(guān)電源，因為它們具備傳統線(xiàn)性電源所沒(méi)有的優(yōu)勢。通常，如果需要一個(gè)DC輸出，最簡(jiǎn)單的解決方式是使用一個(gè)線(xiàn)性電源，即包括一個(gè)變壓器、一個(gè)整流器和平滑濾波電容器。有時(shí)需要一個(gè)線(xiàn)性調節器來(lái)調節輸出，但對于簡(jiǎn)單的電池充電等應用，是不需要的。線(xiàn)性電源的優(yōu)勢在于簡(jiǎn)單、成本低，而SMPS比較復雜，成本高。一直到最近幾年，線(xiàn)性電源曾被普遍采用，不可否認，線(xiàn)性電源比起SMPS仍具有一些技術(shù)優(yōu)勢，但是差距在逐步縮小。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/2979.htm盡管SMPS布局多種多樣，但最常見(jiàn)的是回掃變換器，其原理圖如圖1所示。輸入電壓首先被整流、平滑，然后經(jīng)過(guò)變壓器和初級開(kāi)關(guān)，初級控制器根據來(lái)自次級的反饋信號改變占空因數。圖1中所示是一個(gè)未隔離的變壓器，有時(shí)也可用一電感器。隔離設計在離線(xiàn)應用中比較常見(jiàn)，變壓器需要提供隔離并有一個(gè)合適的占空因數?；貟?/font>SMPS有兩種工作方式：連續性和非連續性傳導，圖2所示的是一非連續性傳導模式，其中Ilm和Vlm分別為變壓器磁電感的電流和電壓。在開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電壓被加到變壓器的初級，此時(shí)，次級二極管是斷開(kāi)的，變壓器相當于一個(gè)電感器，電流只流經(jīng)初級線(xiàn)圈，并將能量以磁通量的形式儲存于線(xiàn)圈內；在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，次級二極管接通，電流通過(guò)次級線(xiàn)圈，能量被轉換到次級大容量電容器，磁感應電流逐漸減小到零，因此是一非連續傳導模式。如果磁感應電流沒(méi)有減小到零，如圖3所示，即為連續傳導模式。
上述兩種模式各具特點(diǎn)，可供設計者選擇使用?？梢允挂粋€(gè)設計以大負載工作在連續模式或以小負載工作在非連續模式。同樣有兩種控制模式：電壓和電流型。在電壓模式，次級電壓被反饋回來(lái)直接控制占空因數；而在電流模式，次級電壓被反饋回來(lái)控制最大開(kāi)關(guān)電流。換句話(huà)說(shuō)，控制IC的脈沖寬度調制（PWM）部分接通電路，在電流達到由反饋信號設定的限定值后，斷開(kāi)電路。
過(guò)去，多數SMPS系統使用非連續控制器IC和開(kāi)關(guān)（通常是場(chǎng)效應管FET）?，F在，通過(guò)使用Fairchild公司的Power Switch系列集成控制器，可得到非常明顯的優(yōu)勢。為適合各種不同功率檔次和應用的設計，器件通?？煞譃閮深?lèi)：雙片和單片。雙片型包括一個(gè)控制器電路芯片和一個(gè)金屬氧化物場(chǎng)效應管（MOSFET）芯片，而單片型只包括一塊電路，用BCDMOS工藝制造。在BCDMOS工藝下生產(chǎn)的高壓（HV）功率MOSFET比起優(yōu)化MOSFET生產(chǎn)工藝受到更多條件的限制。一般來(lái)說(shuō)，在BCDMOS工藝下單位面積硅的Rdson值要大很多。但是，單片解決方案成本較低，在低功率應用中具有優(yōu)勢。因此，最好是在高功率時(shí)選擇雙片，而在低功率時(shí)選擇單片，功率界限在15～20W，此范圍內Fairchild兩種類(lèi)型的方案都可選用。
圖4所示為一個(gè)以FairchildK A5M0365R為基礎設計的，大約20W的通用SMPS實(shí)際電路圖，所用的為一雙片器件，具體參數為：
輸入電壓：85～265VAC；開(kāi)關(guān)頻率：66KHz；
輸出：3.3V,1.2A；5V,1.5A； 9V,0.5A； 33V,0.1A；
內置MOSFET工作在3A，650V，實(shí)際上并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的MOSFET，而是一個(gè)Sense MOSFET，大約1%的源區被隔離出來(lái)用做次級感測源。1%的漏電流來(lái)自感測源，流經(jīng)一個(gè)集成電阻，這樣就可以精確測量電流，同時(shí)避免了在外部感測電阻的損耗。圖4中，從輸入開(kāi)始，首先是一個(gè)用于抑制EMI的濾波器，然后是一個(gè)橋式整流器，NTC電阻和平滑電容。NTC電阻用來(lái)避免電路接通時(shí)的浪涌電流。在開(kāi)始加電時(shí)，器件處于待機狀態(tài)，只有很小的電流，Vcc上的電容器被充電，一旦達到欠壓鎖定上限值15V，開(kāi)始接通電路，電流增加，Vcc下降。但是只要Vcc上的電容足夠大，電壓值Vcc會(huì )一直保持在欠壓鎖定值下限之上。正常運行時(shí)的功率由第三級繞組提供。
變壓器初級連接有緩沖器電路，確保變壓器漏電感所產(chǎn)生的尖峰電壓不至于引起開(kāi)關(guān)漏電壓超過(guò)其擊穿電壓。如果它被擊穿，器件雪崩，這樣會(huì )消耗更多的功率，從而不再需要昂貴的齊納二極管型緩沖電路。
Sense離線(xiàn)電源必須滿(mǎn)足特定的安全標準，圖4所示的設計，由于控制器的獨有特性而得到有效的保護：過(guò)載保護(自動(dòng)重起)；過(guò)壓保護(自動(dòng)重起)；過(guò)流保護(被鎖定）；低壓保護(自動(dòng)重起)；高溫保護(自動(dòng)重起)。
如果電源過(guò)載，但沒(méi)有短路，輸出會(huì )減弱，此時(shí)反饋電壓升高，從而增大占空因數進(jìn)行補償。由于初級電流是有限的，所能變換的最大功率也是有限的，反饋電壓會(huì )繼續升高，到達閾值時(shí)，器件斷開(kāi)。過(guò)載保護是時(shí)間延遲型以避免負載上的暫態(tài)引起的誤觸發(fā)。如果在反饋回路中出現開(kāi)路錯誤，反饋腳電壓會(huì )升高，引起占空因數增大，輸出電壓會(huì )因此升高，Vcc腳電壓也會(huì )增大，Vcc在達到保護閾值時(shí)，器件關(guān)斷，避免對次級造成損壞。如果在反饋回路中出現短路錯誤，反饋腳被拉到地，器件也會(huì )關(guān)斷。如果次級整流器短路，或負載短路，在開(kāi)關(guān)接通后馬上會(huì )有大電流通過(guò)，這樣可造成電路損壞。因此，器件在開(kāi)關(guān)接通后極短的時(shí)間內即測得電流值，如果大于閾值，器件關(guān)斷。如果器件進(jìn)行自動(dòng)重起，這種保護可被鎖定避免重復電應力。
低功率電源在使用如FSDH0165和FSDH565等單片時(shí)很有益處，這些單片包括單一硅片上制造的控制器和SenseFET。圖5為一實(shí)際應用電路圖，這里沒(méi)有啟動(dòng)電阻，由于器件是采用BCDMOS技術(shù)生產(chǎn)，因此可以將高壓(HV)整流線(xiàn)直接連接到器件本身。啟動(dòng)和雙片很類(lèi)似，不同點(diǎn)在于在給Vcc上的電容充電時(shí)采用內置電流源。一旦Vcc腳電壓達到欠壓閾值，器件啟動(dòng)，電流源被斷開(kāi)，因此在正常、高效工作時(shí)不會(huì )從線(xiàn)路吸取能量。
圖6所示的為一較高功率的電源，它和前一個(gè)系統很相似，但是工作在準共振模式下。圖中的Lm不是斷開(kāi)的，而是變壓器的一部分。在這種模式下，開(kāi)關(guān)頻率依賴(lài)于輸入電壓和負載的大小，在低輸入電壓和高負載時(shí)，頻率較低，反之在高輸入電壓和小負載時(shí)，頻率較高，限制因素是最大開(kāi)關(guān)頻率150KHz。在輸入電壓最大時(shí)，由于頻率不能超過(guò)此值，因此對負載有一定的限制。準共振模式的優(yōu)勢在于其低EMI和較高的效率。
該圖中，沒(méi)有前面所用的傳統RCD緩沖電路，取而代之的是將一小電容并聯(lián)在開(kāi)關(guān)上，Power Switch有額外的接線(xiàn)腳，即Sync腳，用來(lái)導通Sense FET。在次級二極管斷開(kāi)之前，系統的工作過(guò)程大致和非連續電流回掃型相同。在此之后，開(kāi)關(guān)的漏極開(kāi)始以串聯(lián)電容和初級電感決定的頻率振蕩。Sync腳電壓開(kāi)始衰減，當Sync 腳電壓低于一閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)重新接通。Sync 腳電壓分量是經(jīng)過(guò)選擇的，在其值達到電壓閾值時(shí)，漏極電壓在最低點(diǎn)。該系統是軟開(kāi)關(guān)，因此有最低的EMI，而且由于漏極電壓最小，開(kāi)關(guān)損耗也最小。
迄今為止一個(gè)未被討論的重要因素是功率因數校正(PFC），這在一些地區非常重要，因為當地的法律規定，功率超過(guò)75W的所有設備都要進(jìn)行功率因數校正。從比較簡(jiǎn)單的無(wú)源解決方案到比較復雜但相對較好的有源解決方案，有幾種方案可以使用。將來(lái)的技術(shù)改進(jìn)也許會(huì )集中于此。將PFC和PWM SMPS控制器集成到單一器件的解決方案已經(jīng)具備了技術(shù)和成本方面的優(yōu)勢。Fairchild的ML4803即是這樣一個(gè)小的8引腳封裝器件，在此之前，許多人都認為這是不可能的。
其實(shí)設計一離線(xiàn)SMPS并不象初看上去那樣可怕，通過(guò)使用這些適合不同應用、不同功率范圍的種類(lèi)繁多的器件，以及相應的技術(shù)支持，設計這種離線(xiàn)SMPS已非常容易?！觯ü猓?/font>
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