LCD監(jiān)視器開關(guān)電源功率開關(guān)調(diào)整器FS6M07652RTC特

摘要：FS6M07652RTC由SenseFET及其控制IC組成，專門為LCD監(jiān)視器電源和適配器設(shè)計(jì)。敘述了FS6M07652RTC的特點(diǎn)、應(yīng)用電路和設(shè)計(jì)考慮。

關(guān)鍵詞：LCD監(jiān)視器；開關(guān)電源功率開關(guān)；調(diào)整器

1 引言

FS6M07652RTC是美國Fairchild公司為LCD監(jiān)視器回掃式SMPS而專門設(shè)計(jì)的一種功率開關(guān)調(diào)整器。同其它Fairchild功率開關(guān)（簡(jiǎn)稱FPS）一樣，F(xiàn)S6M07652RTC是將帶電流感測(cè)功能的MOSFET（被稱作SenseFET）及其控制IC內(nèi)置于同一封裝之內(nèi)，屬于二合一組合器件?？旖荩聪赏〧PS是在韓國三星功率開關(guān)（SPS）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的功率開關(guān)調(diào)節(jié)器系列器件。幾年前，快捷收購了三星的半導(dǎo)體功率器件部之后，將SPS更名為FPS。與現(xiàn)存和先前的FPS系列器件比較，F(xiàn)S6M系列FPS在性能和可靠性方面都有較大改進(jìn)和提高。FS6M07652RTC中的SenseFET額定電流/電壓（限制值）是2A/650V，并可承受7A的連續(xù)漏極電流。

2 主要性能與特點(diǎn)

FS6M07652RTC采用空間節(jié)省的5腳TO-220F封裝，如圖1所示。

圖1 封裝及引腳排列

FS6M07652RTC內(nèi)置SenseFET和控制IC，圖2示出了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 FS6M07652RTC內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

FS6M07652RTC腳1（DRAIN）是SenseFET的漏極；腳2（GND）為接地端；腳3（V_cc）是電源電壓施加端；腳4（V_fb）為反饋端；腳5（S/S）是軟啟動(dòng)電容器連接端。

FS6M07652RTC的主要性能與特點(diǎn)如下：

1）內(nèi)置耐壓至少是650V的SenseFET和前沿消隱（LEB）電路，無需在外部連接電流感測(cè)電阻和RC低通濾波元件；

2）PWM控制器帶70kHz的固定工作頻率（無需在外部連接R_T和C_T定時(shí)元件），占空比可達(dá)80％；

3）控制IC的V_CC啟動(dòng)門限電壓為15V，啟動(dòng)電流低于170μA，欠電壓鎖定（UVLO）門限是9V，帶6V的滯后；

4）為在顯示電源管理信號(hào)傳輸（display Power Management Signalling，縮寫為DPMS）狀態(tài)下有一個(gè)低功率消耗，內(nèi)置突發(fā)模式控制器，提供待機(jī)模式下的突發(fā)模式操作；

5）內(nèi)置各種保護(hù)電路，其中包括：

——33V的過電壓保護(hù)（OVP）；

——逐周電流限制、過電流閉鎖保護(hù)（OCP）和過載保護(hù)（OLP）；

——門限為160℃的熱關(guān)閉保護(hù)（TSD）。

故障條件一旦解除，控制IC可以自動(dòng)重新啟動(dòng)。

FS6M07652RTC帶有最佳化的柵極驅(qū)動(dòng)器和軟啟動(dòng)功能，器件適用于寬范圍的世界通用AC輸入線路電壓。

3 應(yīng)用電路及變壓器設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用電路及工作原理

FS6M07652RTC主要適用于LCD監(jiān)視器電源和AC/DC適配器，用其作為功率開關(guān)調(diào)整器的LCD監(jiān)視器回掃式SMPS電路如圖3所示。

圖3 由FS6M07652RTC組成的LCE監(jiān)視器回掃SMPS電路

這種回掃式變換器的AC輸入電壓范圍為85～265V，兩路DC輸出分別為12V/2A和3.3V/2A。5V、130mA的KA7805輸出是為在突發(fā)模式下操作檢驗(yàn)之用而設(shè)置的。

與整流濾波后的DC總線電壓連接的電阻R₁₀₂，為FS6M07652RTC（IC₁₀₁）腳V_cc的啟動(dòng)元件。通過R₁₀₂的電流對(duì)腳V_cc電容C₁₀₈充電，當(dāng)C₁₀₈上的充電電壓超過15V時(shí)，F(xiàn)PS內(nèi)的SenseFET則開始開關(guān)。在FPS啟動(dòng)之后，變壓器T1的輔助繞組（端5與端6）、D₂₀₂、R₁₀₄和C₁₀₈等組成的電源電路為FPS內(nèi)的IC提供足夠的工作電流。FPS腳V_cc的OVP電壓在30V以上（典型值為33V），V_cc電壓可選擇24V左右。當(dāng)V_cc降至9V的UVLO關(guān)閉門限時(shí)，F(xiàn)PS內(nèi)IC的工作電流從10mA降至100μA。

當(dāng)一個(gè)負(fù)載或一只二極管發(fā)生短路時(shí)，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)大電流流過FPS中的SenseFET，并被感測(cè)電阻（R_s）檢測(cè)，OCL電路啟動(dòng)，履行過電流閉鎖保護(hù)。

過載不同于負(fù)載短路，它是指負(fù)載電流遠(yuǎn)大于預(yù)設(shè)定的電平。在過載情況下，OLP電路將使FPS停止工作。

FPS利用電流型控制，最大開關(guān)電流在內(nèi)部被限制，從而限制了在固定輸入電壓下的功率。如果電源DC輸出電壓低于設(shè)定值，在反饋環(huán)路上的IC₂₀₁（KA431）將產(chǎn)生非常小的電流，IC₃₀₁中光耦合晶體管中的電流幾乎變?yōu)榱?，F(xiàn)PS腳V_fb內(nèi)2μA的電流源（參考圖2）將對(duì)外部電容C₁₀₇（參見圖3）充電。當(dāng)腳V_fb上電壓因C₁₀₇充電達(dá)到7.5V時(shí)，F(xiàn)PS將關(guān)閉。在C₁₀₇=47nF下，關(guān)閉延時(shí)約100ms。在常態(tài)下，V_fb約為0.2～3V。當(dāng)V_fb=3～7V時(shí)，器件在最大占空比上工作。一旦V_fb達(dá)到7V，內(nèi)部電路則關(guān)閉反饋電路。

在反饋環(huán)路上，Q₂₀₁、D₂₀₃、R₂₀₆和R₂₀₇、R₂₀₈及SW₂₀₁組成的反饋網(wǎng)絡(luò)用作突發(fā)（burst）模式操作。在正常工作期間，Q₂₀₁導(dǎo)通，R₂₀₆從反饋網(wǎng)絡(luò)被分離，3.3V的輸出通過反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紽PS的腳V_fb。當(dāng)Q₂₀₁關(guān)斷時(shí)，R₂₀₆連接到反饋網(wǎng)絡(luò)，12V的輸出也被反饋，從而使光耦晶體管飽和導(dǎo)通，F(xiàn)PS腳V_fb降為零，轉(zhuǎn)換到突發(fā)模式。利用微控制器拉低腳V_fb，并沒有使用附加的光耦合器。在突發(fā)狀態(tài)下操作，輸出電壓降低，只消耗很小的功率。

3.2 變壓器設(shè)計(jì)考慮

在SMPS設(shè)計(jì)與制作中，變壓器是一個(gè)關(guān)鍵性元件。對(duì)于圖3所示的LCD監(jiān)視器回掃式SMPS電路，變壓器（T₁）參數(shù)的確定根據(jù)下面的設(shè)定條件：

1）AC輸入電壓（V_in）范圍 85～265V（頻率60Hz）；

2）輸出功率P_o=P_o1＋P_o2=2A×12V＋2A×3.3V=30.6W（按30W計(jì)）；

3）變換器效率η=70％。

對(duì)于變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟在這里不準(zhǔn)備逐一介紹，只簡(jiǎn)要說明變壓器設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)考慮。

在確定變壓器初級(jí)峰值電流I_pk時(shí)，首先要確定最低DC輸入電壓（即輸入電容C_in=C₁₀₃上的電壓）。當(dāng)SMPS在恒定輸出功率上操作時(shí)，最大峰值初級(jí)電流發(fā)生在最低DC電壓上。圖4示出了C_in充電和放電波形。

圖4 濾波電容C_in(C₁₀₃)上充/放電波形

當(dāng)C_in在f=120Hz下充電和放電時(shí)，在V_min處的紋波電壓ΔV最大。C_in充電峰值電壓

V_min(pk)=×V_in(min)=×85V=120V。

若紋波電壓（峰-峰值）按不小于線路電壓的20％處理，可設(shè)ΔV=20V。于是，C_in放電谷底電壓V_min=V_min(pk)－ΔV=120V－20V=100V。C_in放電時(shí)間t_d可按照式（1）計(jì)算：

t_d=×（1）

將已知數(shù)據(jù)代入式（1）可得：t_d=6.78ms。

C_in在放電期間輸入能量E_in為：

E_in=P_in·t_d=(P_o/η)×t_d=(30/0.7)×6.78×10^－3=0.29J

根據(jù)E_in=·C_in·，可得：

C_in===132μF

132μF是非標(biāo)準(zhǔn)電容。在圖3所示的應(yīng)用電路中，C_in（C₁₀₃）選用的是82μF的鋁高壓電解電容器。在此種情況下，C_in放電終止電壓V_min因紋波電壓的增大不再是100V。假定C_in放電時(shí)的輸入能量不變，根據(jù)E_in的計(jì)算公式得到的結(jié)果是：V_min=86V。利用該結(jié)果計(jì)算I_pk時(shí)，余量較大。

最大峰值初級(jí)電流I_pk在V_min和最大占空比D_max下出現(xiàn)。由于電流控制型SMPS的D_max應(yīng)低于50％，若選取D_max=0.45，可得：

I_pk===2.2A

初級(jí)方均根值電流I_rms可以按式（2）計(jì)算：

I_rms=I_pk· （2）

將I_pk=2.2A和D_max=0.45代入式（2）得到

I_rms=0.85A。

在大多數(shù)關(guān)于變壓器初級(jí)電感量L_p的計(jì)算中，初級(jí)電流都選用I_pk。在變換器初級(jí)電感傳輸?shù)酱渭?jí)的功率保持不變時(shí)，確定L_p時(shí)可以使用I_rms，從而使L_p的計(jì)算結(jié)果有較大余量。由于FPS的固定操作頻率f_s=70kHz，故L_p為：

L_p===0.65mH

在I_pk、I_rms和L_p等參數(shù)確定之后，通常根據(jù)面積乘積公式A_p=A_e·A_W≥（L_p·I_pk·I_rms×104/420·K·B_max）1.31等來確定磁芯的選取。針對(duì)本設(shè)計(jì)實(shí)例，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，可選用EFD3030磁芯，其有效截面積A_e=1.07cm²，窗口面積（線圈骨架繞組面積）A_W=2.23cm²，最大磁通密度B_max=0.168T。

初級(jí)繞組匝數(shù)可由式（3）計(jì)算：

N_p= （3）

將L_p=0.65×10^－3H、I_pk=2.2A、B_max=0.168T和A_e=1.07cm²代入式（3），可得：N_p=79.6匝?？蛇x取N_p=80匝。

在最大占空因數(shù)D_max上的初、次級(jí)繞組匝數(shù)比n為：

n== （4）

式中：V_d為次級(jí)整流二極管的壓降（選取0.6V）；

V_o為次級(jí)DC輸出電壓。

設(shè)12V輸出次邊繞組匝數(shù)為N_V1，3.3V輸出繞組匝數(shù)N_V2，F(xiàn)PS偏置繞組匝數(shù)為NVCC，根據(jù)式（4）可得：

N_V1=N_p×==13匝

同理可得：N_V2=4匝，N_VCC=24匝（V_cc按24V計(jì)）。

圖5示出了變壓器的結(jié)構(gòu)，其主要參數(shù)如下：

圖5 變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

磁芯與骨架：EFD3030；

繞組線徑和匝數(shù)：

初級(jí)繞組N_p（腳1→2，腳3→2）：φ0.3×1，80T(40T＋40T)，L_p=0.65mH，最大漏感為10μH；

N_V1繞組（腳12→10）：φ0.3×2，13T；

N_V2繞組（腳8→7）：φ0.3×4，4T；

N_vcc繞組（腳5→6）：φ0.2×2，24T

變壓器繞組之間和外層用2層0.05mm厚的聚酯型薄膜隔離。