新一代機頂盒與液晶電視用的低價(jià)簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)電源設計(05-100)

　　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(qJA)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14.5礖.可選用市場(chǎng)上很容易采購到的15礖/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=15礖,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,1000F/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C(Cin),我們選擇1000F,90mΩ電解電容。

　　PCB排版

　　同步降壓開(kāi)關(guān)電源PCB排版是非常重要,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系統的可靠性,此類(lèi)直流開(kāi)關(guān)電源具有較高的性?xún)r(jià)比?！?/p>