機頂盒與液晶電視用的低價(jià)簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)電源設計

　　前言

    傳統電子消費產(chǎn)品的AC-DC開(kāi)關(guān)電源,通常需要帶有多組輸出隔離變壓器并由一片原邊電源控制器控制輸出電壓和電流,但這類(lèi)多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩定的輸出電壓是通過(guò)線(xiàn)性穩壓管來(lái)實(shí)現。從設計與制造及使用的角度來(lái)看,比較麻煩而且成本也較高。需指出的是,其線(xiàn)性穩壓管只能應用于高電壓和低電流,故此種電源在應用上局限性很大,己遠遠不能適應新一代電子消費產(chǎn)品的需要。

    這是由于新一代電子消費產(chǎn)品如機頂盒，液晶電視(或高清晰度電視)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，從而促使許多產(chǎn)品設計需采用分散式電源模式,也就是說(shuō),產(chǎn)品設計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。

    特別要說(shuō)明的是,由于系統主芯片的電壓越來(lái)越低而且電流越來(lái)越大，這樣就可以使越來(lái)越多的直流開(kāi)關(guān)電源能出現在系統板上的新型工裝技術(shù)。

    而要提供一系列價(jià)格低廉，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，性能齊全直流開(kāi)關(guān)電源,其關(guān)鍵在于是如何應用低廉、簡(jiǎn)單，性能齊全的電源控制芯片。Semtech International公司的低價(jià)簡(jiǎn)易同步式降壓控制芯片SC2618不失為一種好的選擇，用SC2618只需較少外圍元器件就能設計出低電壓高效率降壓電源。

用SC2618設計簡(jiǎn)易同步降壓電源

    圖1為用同步式降壓控制芯片SC2618與雙場(chǎng)效應功率管 AO4812集成塊設計組成的機頂盒和液晶電視及其它消費電子產(chǎn)品所需的板上開(kāi)關(guān)直流電源線(xiàn)路圖。

    此電源的輸入電壓Vin由交流變直流適配器提供，Vin大多數為12V/5V(也有少數會(huì )用24V),輸出電壓是1.8V，輸出電流是3.5安培。SC2618能接收4.5V至14V工作電壓并有一個(gè)1.25V內部電壓基準。0.5安培的場(chǎng)效應管驅動(dòng)能使電源的輸出電流達到10安培。SC2618不需要反饋補償電路。

 圖1  用SC2618和AO4812設計的機頂盒和液晶電視等消費電子產(chǎn)品所需支流開(kāi)關(guān)電源圖

·高端場(chǎng)效應管導通1微秒；
·低端場(chǎng)效應管導通1微秒；

·高／低端場(chǎng)效應管各導通1微秒；

　　輸出短路保護是通過(guò)SC2618的反饋端電壓(VFB)和它的1.25V內部電壓基準電壓來(lái)實(shí)現的。在正常工作時(shí)如果反饋端電壓小于1.25V基準電壓200mV，SC2618立刻關(guān)斷高端場(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。

SC2618在寬輸入電壓時(shí)的應用線(xiàn)路

    雖然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之間的輸入電壓，但是只要在芯片的外圍增加一個(gè)非常簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓管(一個(gè)小信號晶體管和一個(gè)齊納二極管)就可以很容易地將輸入電壓的范圍升到20V以上。同時(shí)可以利用一個(gè)外圍晶體管來(lái)關(guān)斷芯片。這種電路可用在許多需要24V輸入電壓工作的消費類(lèi)產(chǎn)品中。

圖2  用SC2618設計的寬輸入電壓電路

    圖2是一個(gè)可以工作到24V輸入電壓的完整電路圖。輸入電壓可以是5V to 24V，輸出電壓是3.3V，輸出電流是3.5A。圖2中6.2V的齊納二極管將SC2618 Vcc電壓限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端場(chǎng)效應管的驅動(dòng)電壓也在5.5V?？梢酝ㄟ^(guò)晶體管Q3來(lái)關(guān)斷整個(gè)電源。

    這樣的電路在機頂盒、液晶電視等產(chǎn)品上經(jīng)?？吹?。像SC2618這樣的同步式降壓電路比許多非同步式電路在高輸入電壓的應用中有較大的優(yōu)勢。

功率場(chǎng)效應管的選擇

    由于本直流開(kāi)關(guān)電源是同步降壓轉換器,即有著(zhù)高輸入電壓對低輸出電壓的特點(diǎn),故高端場(chǎng)效應管導通的時(shí)間很短,低端場(chǎng)效應管導通的時(shí)間很長(cháng),但是低端場(chǎng)效應管轉換電壓幾乎為零。在這樣的應用中，柵極電容較小(內阻較大)場(chǎng)效應管適用于高端開(kāi)關(guān)，柵極電容較大(內阻較小)場(chǎng)效應管適用于低端開(kāi)關(guān)。在該例子中所用的場(chǎng)效應管是通過(guò)它的內阻(RDSON)、柵極電容／電荷和封裝熱阻 這3個(gè)參數來(lái)選擇的。利用SC2618  0.5A內置驅動(dòng)器，一個(gè)柵極電荷為25nC的場(chǎng)效應管會(huì )產(chǎn)生大約50ns的開(kāi)關(guān)升／降時(shí)間  (ts=25nC／0.5A)。ts 會(huì )在高端場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗(Ps)。

 在圖1中，Ps是0.3W。由于在高端和低端場(chǎng)效應管之間無(wú)重疊傳導，流過(guò)低端場(chǎng)效應管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在低端場(chǎng)效應管導通之前導通。低端場(chǎng)效應管導通電壓僅為一個(gè)在漏極和源極之間二極管的電壓。低端場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)損耗為零。

    以圖1為例，選用的場(chǎng)效應管是A04812。A04812高低端導通內阻都是28mΩ，在3.5A負載時(shí)高低端導通損耗是0.35W。整個(gè)AOS4812損耗為0.65W，在3.5A負載下AOS4812損耗為0.65W，這時(shí)AO4812 SOIC8封裝結溫是111.5℃。這數值遠小于芯片150℃結溫限制。對于大電流輸出上的應用(>3.5A)，可以采用低內阻抗場(chǎng)效應管來(lái)限制它的導通損耗，并利用外加散熱器將它的結溫控制在110℃之內。

開(kāi)關(guān)電源其它元件的選擇

    由于SC2618不需要反饋補償電路，故不需要設計補償網(wǎng)絡(luò )參數。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。

輸出電感L

    輸出電感L的選擇基于輸出DC和瞬態(tài)的要求。大的電感值可減小輸出紋波電流和紋波電壓，但是在負載瞬變過(guò)程中改變電感電流的時(shí)間會(huì )加長(cháng)。小的電感值可得到低的直流損耗，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Ip-p在輸出負載電流額定值的20％到30％之間。

    以圖1的線(xiàn)路為例，Vin=12V，Vout=1.8V，Iout=3.5A，fosc=150KHz，計算出來(lái)的電感值是14.5μH．可選用市場(chǎng)上很容易采購到的15μH／5A表面貼電感。

輸出電容Cout

    輸出電容應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)生的紋波電流會(huì )在輸出電容串聯(lián)等效電阻(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，輸出電容寄生串聯(lián)電阻(ESR)必須滿(mǎn)足下式：      

    以圖1為例,Vin=12V,Vout=1.8V,fosc=150KHz，L=15μH，VRIPPLE =60mV，那么計算出輸出電容串聯(lián)等效電阻(ESR)會(huì )在輸出負載電流變化時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電壓變化值(VT)。為了滿(mǎn)足輸出電壓電壓變化值要求，輸出電容串聯(lián)等效電阻(ESR)必須同時(shí)滿(mǎn)足下式：

   以圖1為例，如果輸出電壓動(dòng)態(tài)變化值是輸出電壓值的10％(VT=10％×1.8V=180mV)，如果負載電流變化值是lA，所需要的輸出電容的ESR是180mΩ。為了同時(shí)滿(mǎn)足輸出電壓紋波和動(dòng)態(tài)變化，應該選擇最小ESR的電容。所以，在本例中選用90mΩ，1000µF/16V電解電容。

反饋分壓電阻R6與R8

    高端的反饋分壓電阻Rtop(R6)可在5KΩ~15KΩ之間選擇。低端的電阻值Rbot(R8)。最終經(jīng)實(shí)驗調整為22.1KΩ。一般來(lái)講Rtop和Rbot應選用1％精密電阻。

輸入電容C1(Cin)

我們選擇1000µF，90mΩ電解電容。

PCB排版

    同步降壓開(kāi)關(guān)電源PCB排版(即線(xiàn)路板制作)是非常重要,它是關(guān)系到設計好的電源能否在系統上正常工作的關(guān)鍵。

    正確的開(kāi)關(guān)電源PCB排版需要設計人員對開(kāi)關(guān)電源工作原理有一定的了解,特別是設計人員需要知道高頻交流電流的走線(xiàn),并且能夠區分低信號控制電路部分和大功率元器件走線(xiàn)部分。

    以圖1為例,將分成控制電路部分和功率電路部分兩部分；一般來(lái)講，電源的功率電路部分包括輸入電容(Cin)、輸出電容(COUT)、輸出電感(L)、場(chǎng)效應管(Ql／Q2)之間的連線(xiàn)用粗線(xiàn)走線(xiàn)(見(jiàn)圖3所示)；而控制電路部分包括PWM芯片，旁路電容，自舉電路，反饋電阻之間的連線(xiàn)用細線(xiàn)走線(xiàn)。

圖3  為圖2中功率電路部份的電流和電壓波形

    圖3顯示功率電路部分的電流和電壓波形圖?？梢钥吹礁哳l率交流電流會(huì )周旋在由場(chǎng)效應管和輸入電容所組成的回路中。所以此回路中元器件之間的PCB走線(xiàn)要短而且要寬。此回路截面積要越小越好。小回路面積將大大地減小EMI噪聲并產(chǎn)生一個(gè)比較安靜的功率地。安靜的功率地會(huì )使場(chǎng)效應管的柵極驅動(dòng)電壓波形非常干凈。CIN可用大容量電解電容和小容量瓷片電容并聯(lián)，并要靠近場(chǎng)效應管。如果高頻交流電流的回路面積很大，就會(huì )在回路的內部和外部產(chǎn)生很大的電磁千擾  (EMl)。如果同樣的高頻交流電流的回路面積設計得非常小，回路內部和外部的電磁場(chǎng)互相抵銷(xiāo)，整個(gè)電路會(huì )變得非常安靜。

高端場(chǎng)效應管(Q2)的源極，低端場(chǎng)效應管(Q1)的漏極和輸出電感(L)之間的連接點(diǎn)應該是一整塊銅片焊盤(pán)。由于這連接點(diǎn)上的電壓是高頻和交流，Q1和Q2和L要靠得非常近。雖然輸出電感和輸出電容之間的走線(xiàn)沒(méi)有高頻交流電流，但寬的走線(xiàn)可以降低直流阻抗的損耗提高電源的效率。

控制線(xiàn)路應放置在功率電路的邊上.控制電路絕對不能放在高頻交流回路的中間。旁路電容要盡量靠近芯片的Vcc和地。芯片的場(chǎng)效應管驅動(dòng)輸出不要離開(kāi)場(chǎng)效應管太遠。反饋分壓電阻最好也放置在芯片附近。

結語(yǔ)

    通過(guò)對低價(jià)簡(jiǎn)易PWM控制芯片SC2618在開(kāi)關(guān)電源上的應用與PCB板排版的分折,可以看到當今新一代消費類(lèi)電子產(chǎn)品電源開(kāi)發(fā)與應用可以大為簡(jiǎn)化,非但省力省物力而且大大提高了糸統的可靠性，此類(lèi)直流開(kāi)關(guān)電源具有較高的性能價(jià)格比。