簡化離線式開關(guān)電源的設(shè)計(圖)

　　與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源具有許多優(yōu)點。在通常情況下，如果只需要一個直流輸出，采用一個變壓器、整流器和濾波電容就可構(gòu)成線性電源。有時，可采用一個線性穩(wěn)壓器提供穩(wěn)壓輸出。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點是簡單，所以成本通常較低。而開關(guān)電源通常結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴，所以線性電源獲得了廣泛應用。表1列出了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點。

表1線性與開關(guān)電源對比

　　開關(guān)電源電路有許多種，但最常見的是反激式轉(zhuǎn)換器，其原理如圖1所示，電源輸入首先經(jīng)過整流，然后濾波，接下來經(jīng)過變壓器和初級開關(guān)，以及初級控制器；這個控制器根據(jù)反饋信號來改變開關(guān)的占空比，反饋信號是由次級反饋而來。

　　盡管可采用電感器，但所示設(shè)計采用的是未隔離的變壓器。隔離設(shè)計在離線設(shè)備中更為常見，在離線設(shè)備中，變壓器具有隔離作用，可方便地實現(xiàn)占空比調(diào)整。反激式開關(guān)電源可在非連續(xù)導通和連續(xù)導通兩種模式下工作，不連續(xù)導通模式如圖2所示。ilm和vlm是變壓器磁化電感通過的電流和施加的電壓。

表2開關(guān)電源的兩種導通模式

　　當開關(guān)閉合時，電壓施加在變壓器初級的兩端，因為此時次級二極管是截止的，變壓器所起的作用就像電感器。經(jīng)過初級線圈的電流會上升，同時能量儲存在磁通量中。當開關(guān)斷開時，次級二極管導通，電流通過次級時會下降，因為能量被轉(zhuǎn)換至次邊大容量電容器。如果電流經(jīng)過磁化電感區(qū)后降至零，這是不連續(xù)導通模式。如果磁化電流未降至零，如圖3所示，則系統(tǒng)以連續(xù)導通模式工作。

　　表2列出了兩種模式的優(yōu)缺點。
　　兩種模式各有其優(yōu)缺點，可根據(jù)設(shè)計要求進行選擇?？梢蕴暨x大負載的連續(xù)模式設(shè)計，或選擇小負載的非連續(xù)模式設(shè)計。有電壓和電流兩種控制模式，在電壓模式中，次邊電壓被反饋，直接控制工作循環(huán)；而在電流模式中，次邊電壓被反饋，控制最大的開關(guān)電流，即控制ic的pwm部分使開關(guān)閉合，當電流達到反饋設(shè)定的極限時，開關(guān)就斷開。

控制器的選擇
　　過去，大多數(shù)smps系統(tǒng)采用分立控制器ic和用場效應晶體管(fet)作為開關(guān)，現(xiàn)在可以采用集成控制器，這些集成器件針對各種功率級別和應用進行了優(yōu)化，通常可分為雙芯片式和單芯片式兩類。雙芯片式包括控制器芯片和mosfet芯片，而單芯片式僅有一個芯片，一般采用bcdmos工藝制造。采用bcdmos工藝制造高壓功率mosfet器件，它的局限性多于采用優(yōu)化mosfet工藝制造的器件。通常，采用bcdmos工藝制造的芯片的單位面積rds(on)值會高出許多。

　　然而，單芯片解決方案的成本較低，在低功率應用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。因此，一般是為高功率應用選擇雙芯片方案，而為低功率應用選擇單芯片方案，高低功率的分界點在15至20w左右，飛兆半導體有提供兩種類型的功率開關(guān)。

應用實例
　　圖4所示為采用ka5m0365r的通用開關(guān)模式電源的電路圖，ka5m0365r是雙芯片器件。電源的輸入電壓為85～265vac，開關(guān)頻率為66khz，輸出為3.3v、1.2a，5v、1.5a，9v、0.5a和33v、0.1a。

　　內(nèi)部mosfet的額定值為3a和650v，但不是簡單的mosfet，而是sensefet，其源極面積約有1%被隔離出來，形成次感應源極。漏極電流的1%來自感應源極，它流經(jīng)集成電阻器，便于準確地測量電流值，不存在與外部電流采樣電阻器相關(guān)的損耗。

　　自線路輸入端開始，首先是一個用于抑制emi的濾波器，接下來是橋型整流器、ntc電阻器和濾波電容器。ntc電阻器用于避免開關(guān)閉合時的電流浪涌。在第一次接通電源時，fps以旁路模式工作，吸收極少的電流，vcc電容器被充電，一旦達到電壓鎖定閾值15v范圍的上限，該器件就開始開關(guān)，它的電流需求增加，vcc電壓開始下降。然而，假定vcc電容器足夠大，vcc電壓仍保持在電壓鎖定閾值范圍的較低水平，在正常運作期間，第三線圈開始供電。

　　緩沖網(wǎng)絡(snubber network)連接在變壓器初級的兩端，以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號，不會造成開關(guān)漏極電壓超過其擊穿電壓。如果超過擊穿電壓，器件會發(fā)生雪崩，由于它具有一定的雪崩額定值，這樣僅僅多消耗一點功率，不需配置昂貴的齊納緩沖器。

　　有四個次級線圈提供四路電壓輸出，通過一個光耦，由431型電壓參考器提供反饋信號。

保護功能
　　所有的離線式電源必須達到一定的安全標準，圖4所示的設(shè)計具有良好的保護功能，得益于控制器具有的過載保護、過壓保護、過流保護、欠壓保護和過熱保護特性。

　　如果電源超負載但未短路，輸出電壓將會降低，反饋電壓上升，占空比增加以進行補償。然而，因為初邊電流有限，可轉(zhuǎn)換的最大功率也是有限的，因此反饋電壓將繼續(xù)上升。一旦它達到閾值，器件的開關(guān)動作就會停止。過載保護可延時以避免負載瞬變導致的錯誤觸發(fā)。如果在反饋回路中出現(xiàn)開路故障，反饋引腳電壓將上升，導致工作循環(huán)增加，輸出電壓也將上升，vcc引腳電壓同樣也上升，一旦vcc電壓達到保護閾值，設(shè)備就關(guān)閉，以避免損害次級。

　　如果在反饋回路中出現(xiàn)短路故障，反饋引腳將接地，器件的開關(guān)動作也會停止。如果次級整流器發(fā)生短路，或負載短路，在開關(guān)閉合之后，立即有大電流流經(jīng)開關(guān)，從而造成損害。因此，器件會測量在開關(guān)閉合后極短時間內(nèi)的電流，如果電流值比閾值高，器件會停止運轉(zhuǎn)。如果器件試著自動重新啟動，保護功能會鎖死開關(guān)動作以避免重復的應力。另外，器件具有前沿屏蔽功能。

針對特定應用的改進
　　低功率電源常常是備用、輔助電源，或用于內(nèi)務處理，fsdh0165或fsdh565等單芯片器件適用于此類電源，芯片集成了控制器和sensefet。

　　由于器件采用bcdmos技術(shù)制造，不存在起動電阻器。有可能將高壓整流電源直接連接到器件上，其起動與雙芯片器件相似，然而，區(qū)別是該器件用內(nèi)部電流源為vcc電容器充電，一旦vcc引腳電壓達到閾值電壓，器件起動，電流源從內(nèi)部斷開，因此在正常運作期間，不從電路中直接吸取能量，因而效率提高。對于較高功率電源，可采用圖5所示的系統(tǒng)，它與先前的系統(tǒng)很相似，但它以準諧振模式工作，lm不是一個單獨的元件，而是變壓器的一部分。

　　在這種模式下，開關(guān)頻率與輸入電壓和負載水平無關(guān)，在低輸入電壓和大負載的情況下，頻率降低，而在高輸入電壓和小負載的情況下，開關(guān)頻率升高。在最大輸入電壓下，所需頻率不應超過最高開關(guān)頻率150khz，因此施加的負載應有所限制。準諧振模式的優(yōu)點是emi較低和效率較高。

　　這里未出現(xiàn)先前所用的傳統(tǒng)rcd(電阻器電容器二極管)緩沖器，作為替代，采用一個與開關(guān)并聯(lián)的小型電容器，電源開關(guān)配有一個額外的同步引腳，用于開通sensefet。在次級二極管截止之前，其工作與非連續(xù)電流反激方式基本相同。在初級二極管截止后，開關(guān)管漏極開始振鈴動作，頻率由串聯(lián)的電容器和初級電感量所決定。同步引腳電壓開始下降，當電壓超過閾值時，開關(guān)再次閉合。選擇合適的同步引腳元件，使得漏極電壓達到最小值時，同步電壓達到閾值。該系統(tǒng)為軟開關(guān)型，具有很小的emi，因為漏極電壓很小，開關(guān)損耗也降至最低。

　　但這里忽略了功率因數(shù)校正問題，因為在歐洲已經(jīng)要求所有功耗超過75w的設(shè)備需進行功率因數(shù)校正。

　　有幾種方法可實現(xiàn)功率因數(shù)校正，從簡單的無源解決方案到較復雜和性能較好的有源解決方案。飛兆半導體的ml4803采用小型8引腳封裝，集成了pfc和pwm smps控制器，在技術(shù)和成本具有相當?shù)膬?yōu)勢。

　　現(xiàn)在已經(jīng)有多種適合不同應用和功率范圍的器件，使離線式開關(guān)電源的設(shè)計變得更為簡單。