新穎的小功率集成的ACDC轉(zhuǎn)換器方案
隨著半導體技術的不斷進步,為系統(tǒng)設計師、電路設計師實現(xiàn)技術創(chuàng)新提供了一個先進的技術平臺,從而有許許多多新穎的、時尚的便攜式電子產(chǎn)品呈現(xiàn)在世人面前,像PDA、3G手機、各種個人電子醫(yī)療保健裝置以及層出不窮的游戲機等等。這些便攜式電子產(chǎn)品大多需要高檔的開關電源來供電或充電,此外,還有許多先進的便攜式儀器儀表,工控裝置乃至像剃須刀這樣的日常用具也需要開關電源。正是在這種背景下,PHILIPS推出了STARplug電源IC產(chǎn)品系列。
該系列不但滿足了便攜式電子產(chǎn)品微功耗、高可靠、微小型化等要求,還滿足了使用安全性和環(huán)保的需求。
關于STARplug產(chǎn)品系列
STARplug有兩個系列,即TEA152X系列和TEA162X系列(見表1)。TEA152X系列是早在2000年9月問世的,TEA162X系列則是對TEA152X系列的改進,并于2004年5月定型的,這兩者在框圖、電路結(jié)構、外引線排列及絕大多數(shù)電參數(shù)都是相同的。所不同的僅在芯片內(nèi)部高壓啟動電流源上,TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值),TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。
STARplug采用多芯片結(jié)構。所有控制部分用BiCMOS工藝集成在一個芯片上,而功率部分則用EZ-HV工藝做在另一個芯片上,然后在同一個基片上優(yōu)化組合而成。從制造工藝上看,飛利浦采用了先進的全氧化隔離工藝(或稱介質(zhì)隔離工藝),因此其有以下特點:
1. 可免除鎖定效應(鎖定效應是CMOS電路特有的一種失效模式);
2. 可以方便地在同一個芯片上實現(xiàn)模擬,數(shù)字和功率電路的集成;
3. 芯片面積也比標準的PN結(jié)隔離要小;
4. 漏電流極低,適于高溫環(huán)境下工作;
5. 寄生電容小,通過襯底產(chǎn)生的串擾和EMC的概率很小;
6. 抵御外部電火花及反極性的能力強。
這些都有利于支撐STARplug的高性能和高可靠性。
從電路設計上看,一個重要的特點是提出了谷值轉(zhuǎn)換的概念。
一般說來,功率MOS管耗散的功率是開關電源自身功耗的主要來源。它與電源的可靠性,穩(wěn)定性,效率都密切相關。功率MOS管的功耗通常由三部分組成:
1. MOS管截止時的功耗,即VDS為高電平的功耗:這個功耗主要由漏極D和源極S之間的漏電流來決定,與芯片制造工藝有關,IDS(off)通常在微安量級,因此這部分功耗極低,一般可以忽略。
2. MOS管導通時的功耗,即VDS為低電平時的功耗,這個功耗主要決定于漏極和源極之間的導通電阻RDS(on)。這與芯片設計的幾何參數(shù)有關。
3. MOS管動態(tài)功耗,即MOS管由截止向?qū)ㄞD(zhuǎn)換,或由導通向截止轉(zhuǎn)換時的功耗。這個功耗可用下式計算:
飛利浦的電路設計師,分析了上述公式,認識到要降低開關電源的動態(tài)功耗,只能由降低轉(zhuǎn)換時的VDS和負載下降時的f入手。通常VDS為380V左右,如果利用電路諧振將VDS于谷底(接近于0V)時,使MOS管由截止進入導通,則MOS管的動態(tài)功耗將下降幾個數(shù)量級。為此,在電路設計上,加上了谷值檢測電路,一旦電路諧振,能正確地測出“谷底”,并在VDS進入“谷底”之時,在柵極G和源極S之間輸入經(jīng)PWM后的脈沖上升沿。
上個世紀90年代的PWM芯片,工作頻率f大多為固定頻率。為了降低功耗,特別是降低待機功率,STARplug采取了可調(diào)變頻率的靈活電路設計。用戶設定的頻率為滿載時的工作頻率。當負載下降時,工作頻率也相應下降。從而保證了待機功耗低于100mW。
此外,STARplug系列芯片用高壓電流源來啟動,一旦IC進入正常工作狀態(tài),則高壓電流源將自動切斷,從而減少了電路的功耗。由此可知,電路的整個設計過程。都貫徹了一條減少功耗的思想,正是因為功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地減少了功耗,因此就能夠?qū)⒐β势骷涂刂齐娐芳稍谝粋€封裝中,有效地減少了外圍元件。另外為了使電路能可靠地工作,還提供了完善的保護功能,包括了逐個周期過流保護、欠壓鎖定、過壓保護、過溫保護、繞組短路保護、退磁保護。
STARplug功能描述
1. STARplug的結(jié)構
圖1是STARplug的內(nèi)部電路框圖。不難看出,圖中包括功率MOS管和控制電路兩大部分。功率MOS管主要用來實現(xiàn)功率的傳輸和轉(zhuǎn)換。而控制電路則肩負三大任務:
1. 實現(xiàn)所有保護功能的快速反應。
2. 谷值電平的準確檢測。
3. 工作周期的控制(即PWM功能)。
圖1:STARplug內(nèi)部電路框圖。
過壓保護
在芯片的框圖中,雖然沒有為過壓保護設計專門的通道,但這個功能是存在的。在實際應用過程中,一旦產(chǎn)生過電壓,則必然將REG端的工作電平上拉,從而使初級繞組的工作行程 立即終止。只有當過壓消除,REG端電壓恢復到正常值,功率MOS管才能正常開關。
Starplug的應用
前已述及,STARplug有兩種反饋方式,這兩種方式就構成了STARplug作為反激式AC/DC轉(zhuǎn)換器的兩種典型應用電路。
圖2是最簡單最基本的應用電路,其特征就是由變壓器的輔助繞組來反饋電網(wǎng)和負載的變化。
由圖2可見,由整流橋和濾波器組成了電路的輸入部分,并通過變壓器初級繞組加到TEA162x的Drn端。顯然,TEA162x是整個轉(zhuǎn)換器的心臟,以下圍繞TEA162x分析一下圖2的各部分電路。
1. 由C3R2組成振蕩電路
振蕩電路元件的值是根據(jù)工作頻率來確定的,STARplug的開關頻率可在10kHZ到200kHZ之間工作,通常工作頻率大都選在40~100kHZ之間。
頻率選定了,則可按下式來計算元件值:
振蕩器的充電時間tcharge,由STARplug的參數(shù)表中查出為1us。
至于RC的取值,可先選定C,然后再算R值,要保持電路的穩(wěn)定,電容C必須大于220pF,但從效率方面來考慮,頻率高時亦不宜將電容選得太大,例如200kHZ時,C取10nF,則振蕩器的功耗達到12.5mW,這顯然是不可取的。
推薦實例:開關頻率取100kHZ,這時振蕩器的時間常數(shù)為2.7us,C取330pF,R=7.5kΩ。
2. 過流保護和繞組短路保護電阻R3:
電阻R3設置了變壓器初級峰值電流,也設定了最大傳輸?shù)妮敵龉β?,電阻R3的值可用下式計算:
由STAR plug的手冊可得知:
實例:一個3W的電源,開關頻率為100kHZ,效率為75%,通過變壓器的峰值電流為230mA(反射電壓),則電阻R3設定為2Ω,限定峰值電流為250mA。
3. 穩(wěn)壓元件R4和R8:
在輔助繞組反饋的電路中,輸出電壓是受輔助繞組控制的。實際上在變壓器中所有繞組都有同一個磁通變量,次級輸出電壓和輔助電壓VCC是通過變壓器的匝數(shù)比Na/Ns而關聯(lián)的。VCC的電壓信息又通過一個電阻分壓器,即R4和R8提供給REG端的,因此,TEA162X直接穩(wěn)定了VCC的輸出電壓,間接的穩(wěn)定了輸出電壓。
這兩個電阻的值可由下式確定:
為防止瞬時高壓對REG的影響,推薦R4的值為3k-10kΩ之間。
4、退磁電阻R5:
這個電阻是用來限制流入Aux腿的電流的,根據(jù)產(chǎn)品的技術條件,流入Aux腿的最大電流為5mA,流出的最大電流為10mA,基于這點,產(chǎn)品的設計者給出了一個近似的估算式:
這個式子,不要從量綱上去考慮,僅作為一個經(jīng)驗的估算法。
5、供電電路C5、R6、D8:
前已述及,芯片內(nèi)的高壓啟動電流源對電容C5充電,當充電電壓達到電路啟動電壓9V以上時,TEA162x進行工作狀態(tài)。C5的值應小1uF,實際上在所有的應用中都選用470nF。
與輔助繞組相連的二極管只需選用普通二極管。
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