智能功率開關電源IC設計

1引言開關電源是近幾年電源市場的焦點之一，它最大的優勢是大幅度縮小變壓器的體積和重量，這樣就縮小了整個系統的體積和重量。一般說來，開關電源的重量是線性電源的1/4，相應的體積大概是線性電源的1/3。所以開關電源對低檔的線性電源，尤其是20W以下的線性電源構成了威脅，大有取而代之之勢。但是傳統的開關電源除了pWM和功率MOSFET之外還包括50個左右的分立元件，這不但新增了成本、體積，而且還使可靠性受到了影響。這緊要是加工工藝上的原由，開關電源在集成化上一直沒有沖破。

近幾年，隨著加工工藝技術的成熟，已經能將低壓控制單元和高壓大功率管集成到同一塊芯片之中。TI、ONSemIConductor、power、Integrations等公司都已經有類似的產品，而國內則幾乎是一片空白。由于開關電源在體積、重量、效率以及可靠性上的優點，它的研究和發展速度是驚人的。

其緊要使用范疇有：①郵電通信：作程控交換機、移動通信基站電源；②計算機：作為各種pC機、服務器、工業控制機的開關電源；③家用電子產品：目前使用開關電源的家用電子產品有電視機、影碟機等；④其他行業：如電力、航天、軍事等范疇。

依據工藝的發展和市場的要，將核心部分功率MOSFET和低壓pWM控制器集成在一塊芯片中。同時，還具有過熱保護、過壓保護、欠壓鎖定、自動重啟動、過流保護等功能。這種新型的開關電源集成電路給電源系統帶來了很多優點。該芯片交流輸入可筆直從電網接入，使用功耗低，成本低，體積小，同時還提高了系統的穩定性，降低了成本，使電子工程師的設計更加簡單。該芯片可用于驅動一個單端接地電源系統，如接一個振蕩回掃的二次線圈變壓器后輸出一直流電壓。

2工作原理

此開關電源為一中頻集成模塊，設計頻率為100kHz，最大占空比為70％，它包括一個恒頻脈寬調制器和一個高集成度電源開關電路，其結構如圖1所示。這個組合開關的高壓側可對從85~265V的交流電壓進行繼續控制，可以使用于多數常規電源系統。

通過一個光電耦合管，將負載變化情況反饋到芯片內部，反饋信號在2.7k的電阻上出現電壓降，經過7kHz的低通濾波器，把高頻開關噪音濾掉，以直流電壓形式輸入到pWM模塊進行調節，出現占空比隨反饋信號變化的脈沖波，通過驅動電路驅動功率MOSFET，從而實現了pWM的調節。除此之外，功率MOSFET的源極接一電阻，來實現每周期的限流保護。

正常情況下，1/8分頻器輸出信號使得功率MOSFET導通，若故障發生，它的輸出信號使得功率MOSFET關斷，并且它自身開始計數，第1個周期，功率MOSFET導通。若沒有排除，以此規律循環下去；若故障排除，則進入正常工作狀態。該IC外接變壓器，實現AC-DC功能后，不同規格的變壓器可獲得不同的直流電壓。

3內部功能模塊解析

3.1振蕩器電路

如圖2所示，該振蕩器利用兩個比較器輪流導通，對電容進行充放電，獲得了在電壓在2.7~4.1V震蕩的鋸齒波。其設計頻率為100kHz，占空比為70%。對電容充放電時，利用MOS管飽和區工作電流恒定的原理，實現恒流充放電。其等效簡化電路模型如圖3所示。充電時，開關S合到3端，可得

DQ="DU"×C(1)

且DU=4.1-2.7=1.4v(3)

式中，C=40pF,Ip="18".6mA，可以計算出Tp="3ms"。放電時，開關S打到8端，可得

式中，IN=8mA，可以計算出TN=7ms。

T="Tp"+TN="10ms"(5)

占空比的設計也是要考慮的，當占空比提高后，整個IC及外接電路構成的電源效率都會提高。

但是又不能無限的提高，使之接近100％，這緊要是變壓器磁通的建立和恢復是有時間限制的。同時，長時間的導通，功率MOSFET容易燒壞。

3.2偏置電路

該電路采用三管能隙基準電源，如圖4所示。T2的發射極電壓如式(6)所示。由公式可知，利用等效熱電壓Vt的正溫度系數和Vbe的負溫度系數相互補償，可使輸出基準電壓的溫度系數接近為零（由于T6和T2的Vbe相同，所以輸出電壓Vref和T2發射極電壓相同）。

3.3pWM調制電路

由光耦管耦合過來的反應負載變化情況的信號首先經過一個7kHz的低通濾波器，然后送到pWM比較器和振蕩器出現的鋸齒波進行比較，從而實現脈寬調制。該低通濾波器的頻率應和為

可作為設計參數使用。

3.4過壓保護，欠壓鎖定電路

設計的內部電路工作電壓環境為7.5~8.6V，該電路如圖5所示，由比較器C1，C2和電阻R1、R2、R3、R4組成。由于遲滯比較器的用途，當Vcc處于7.5~8.6V時，IC正常運行。當Vcc>8.6V時，C1輸出高電平，筆直使放電NMOS管導通，進行放電。該NMOS管設計得比較大，這樣可以迅速地放電，使IC及時地回到安全狀態。若該Vcc故障依然存在，將用八分頻計數器來計數。這個八分頻計數器使得功率MOSFET封閉，電容將在8個繼續周期內反復充放電，8個周期后，若故障排除，整個IC進入正常工作狀態，功率MOSFET開通。這種設計可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當內部工作電壓Vcc

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除