智能功率开关电源IC设计.pdf

智能功率开关电源IC设计 1 引言 开关电源是近几年电源市场的焦点之一，它最大的优点是大幅度缩小变压器的体积和重量，这样就缩小了整个系统的体积和 重量。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。所以开关电源对低档的线性电源， 尤其是20W以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势。但是传统的开关电源除了PWM和功率MOSFET之外还包括50 个左右的分立元件，这不但增加了成本、体积，而且还使可靠性受到了影响。这主要是生产工艺上的原因，开关电源在集成 化上一直没有突破。 近几年，随着生产工艺技术的成熟，已经能将低压控制单元和高压大功率管集成到同一块芯片之中。TI、ON Semiconductor、 Power、 Integrations等公司都已经有类似的产品，而国内则几乎是一片空白。由于开关电源在体积、重量、效率以及可 靠性上的优势，它的研究和发展速度是惊人的。其主要应用领域有：①邮电通信：作程控交换机、移动通信基站电源；②计 算机：作为各种PC机、服务器、工业控制机的开关电源；③家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、 影碟机等；④其他行业：如电力、航天、军事等领域。 根据工艺的发展和市场的需要，将核心部分功率MOSFET 和低压PWM控制器集成在一块芯片中。同时，还具有过热保护、过 压保护、欠压锁定、自动重启动、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。该芯片交流 输入可直接从电网接入，应用功耗低，成本低，体积小，同时还提高了系统的稳定性，降低了成本，使电子工程师的设计更 加简单。该芯片可用于驱动一个单端接地电源系统，如接一个振荡回扫的二次线圈变压器后输出一直流电压。 2 工作原理 此开关电源为一中频集成模块，设计频率为100kHz，最大占空比为70％，它包括一个恒频脉宽调制器和一个高集成度电源 开关电路，其结构如图1所示。这个组合开关的高压侧可对从85~265V的交流电压进行连续控制，可以应用于多数常规电源 系统。 通过一个光电耦合管，将负载变化情况反馈到芯片内部，反馈信号在2.7k的电阻上产生电压降，经过7kHz的低通滤波器， 把高频开关噪音滤掉，以直流电压形式输入到PWM模块进行调节，产生占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动 功率MOSFET，从而实现了PWM的调节。除此之外，功率MOSFET的源极接一电阻，来实现每周期的限流保护[1]。 正常情况下，1/8分频器输出信号使得功率MOSFET导通，若故障发生，它的输出信号使得功率MOSFET 关断，并且它自身开 始计数，第1 个周期，功率MOSFET导通。若没有排除，以此规律循环下去；若故障排除，则进入正常工作状态。该IC外接 变压器，实现AC-DC功能后，不同规格的变压器可获得不同的直流电压。 3 内部功能模块介绍 3.1 振荡器电路 振荡器利用两个比较器轮流导通，对电容进行充放电，获得了在电压在2.7~4.1V震荡的锯齿波。其设计频率为100kHz，占 空比为70%。对电容充放电时，利用MOS管饱和区工作电流恒定的原理，实现恒流充放电。其等效简化电路模型如图3所示。 充电时，开关S合到3端，可得 DQ=DU×C (1) (2) 且DU=4.1-2.7=1.4v (3) 式中，C = 40pF, IP=18.6mA，可以计算出TP=3ms。 放电时，开关S打到8端，可得 (4) 式中，IN=8mA，可以计算出TN =7ms。 T=Tp+TN=10ms (5) 占空比的设计也是需要考虑的，当占空比提高后，整个IC及外接电路构成的电源效率都会提高。但是又不能无限的提高， 使之接近100％，这主要是变压器磁通的建立和恢复是有时间限制的。同时，长时间的导通，功率MOSFET容易烧坏。 3.2 偏置电路 该电路采用三管能隙基准电源，如图4所示。T2的发射极电压如式(6)所示。由公式可知，利用等效热电压Vt的正温度系 数和Vbe的负温度系数相互补偿，可使输出基准电压的温度系数接近为零 （由于T6和T2 的Vbe 相同，所以输出电压Vref 和T2发射极电压相同）[2]。 3.3 PWM调制电路 由光耦管耦合过来的反应负载变化情况的信号首先经过一个7kHz的低通滤波器，然后送到PWM比较器和振荡器产生的锯齿 波进行比较，从而实现脉宽调制。该低通滤波器的频率响应为