電路保護(hù)集成技術(shù)降低電源成本

摘要：本文討論了在芯片上實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能集成后可以去除的那些電路保護(hù)元件，以及采取這種措施后可以帶來(lái)的成本下降。所有的節(jié)約成本都是按照大批量采購(gòu)元件(>10萬(wàn)個(gè))的情況估計(jì)的，如果元件采購(gòu)批量更小的話，則開銷的節(jié)約效果還會(huì)更明顯。在最新功率變換芯片中已經(jīng)集成的功能包括：電力線路過(guò)壓關(guān)斷(line over-voltage shutdown)、開關(guān)電流敏感和限流、輸出過(guò)載及開環(huán)保護(hù)(op)、過(guò)熱關(guān)斷和參數(shù)化溫度補(bǔ)償與容差控制。 關(guān)鍵詞：電力線路過(guò)壓關(guān)斷、開關(guān)電流敏感和限流、輸出過(guò)載及開環(huán)保護(hù)、過(guò)熱關(guān)斷和參數(shù)化溫度補(bǔ)償與容差控制。

前言

為了保持競(jìng)爭(zhēng)力，大多數(shù)制造商都設(shè)法降低其產(chǎn)品的成本，理想的做法是既降低成本，又保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。為了在工作條件不正常時(shí)不致于失效，電源往往要采用昂貴的電路保護(hù)元件。不過(guò)很多在電源中使用的電路保護(hù)措施并不明顯，因此其成本也很難簡(jiǎn)單明了地估計(jì)出。

這些隱含的保護(hù)措施采用后，電源鏈和相關(guān)元件(如開關(guān)器件及其散熱器和鉗位電路、變壓器芯尺寸和輸出整流器與電容)的參數(shù)選取必須留出一定的裕量。把外部的電路保護(hù)器件和暗藏的保護(hù)措施除去，可以顯著降低電源成本。但是，單純地刪除這些保護(hù)措施是不可行的，因?yàn)檫@樣做會(huì)損害可靠性、堅(jiān)固性和/或供電安全性。然而，如果把電路保護(hù)功能集中到一個(gè)高度集成的電源變換IC上，就可以既安全地消除某些昂貴的外接分立元件，又能允許電源鏈元件的參數(shù)按照正常的輸出負(fù)載來(lái)選取。

電力線路過(guò)壓關(guān)斷

電力線路過(guò)壓關(guān)斷用于在線路出現(xiàn)浪涌時(shí)中止電源正常的工作，從而省去了MOV，可實(shí)現(xiàn)的成本降幅為0.04~0.12 美元。例如， Power Integration (PI)公司把過(guò)壓保護(hù)功能集成到了其多種離線式開關(guān)電源IC 產(chǎn)品上。當(dāng)這些器件檢測(cè)到線路過(guò)壓情況，它們就會(huì)停止開關(guān)動(dòng)作，直到整流后的線路電壓回落到該功能的解除閾值之下時(shí)為止。這一做法使得IC能抵受幅度高達(dá)其內(nèi)部MOSFET最高額定值的線路浪涌，而無(wú)需MOV 保護(hù)。圖1 示出了一個(gè)使整流后的DC電壓限達(dá)到592V 峰值的浪涌情形。由于中止了開關(guān)動(dòng)作，部件DRAIN 引腳上的電壓始終保持在700V以下。在供電質(zhì)量很差的國(guó)家中，常常會(huì)發(fā)生持續(xù)時(shí)間在100ms 以上的電力線路浪涌，分立MOSFET所能提供的毫焦級(jí)的抗雪崩電流能力或者M(jìn)OV所具備的瞬態(tài)功耗承受能力，都不足以承受持續(xù)時(shí)間如此之長(zhǎng)的浪涌，而過(guò)壓關(guān)斷功能相比之下則更有價(jià)值。

圖1 線路浪涌將使得PI器件中的過(guò)壓保護(hù)電路動(dòng)作

開關(guān)電流敏感和限流大多數(shù)PWM 型IC對(duì)開關(guān)電流進(jìn)行檢測(cè)，這樣，當(dāng)流過(guò)開關(guān)的電流過(guò)大時(shí)，就可以終止開關(guān)循環(huán)的執(zhí)行。該功能的實(shí)現(xiàn)一般需要外接電流敏感電阻和低通RC濾波器。大多數(shù)PI的產(chǎn)品系列采用集成MOSFET 導(dǎo)通電阻來(lái)作為敏感電阻。這一措施連同內(nèi)置的電流敏感比較器的前沿消隱(Leading Edge Blanking ，LEB)特性，使得設(shè)計(jì)者可以省去所有外接電流敏感和調(diào)節(jié)元件，帶來(lái)的成本降幅達(dá)0.04~0.10 美元。由于省去了敏感電阻并避免了相應(yīng)的傳導(dǎo)損耗，效率也得以提高。在可使用電流敏感變壓器的DC/DC 變換器中，成本降幅達(dá)到了0.50美元。此外，采用LEB 也使電路無(wú)需對(duì)電流敏感信號(hào)進(jìn)行濾波，從而能夠更快、更準(zhǔn)確的中止開關(guān)循環(huán)。因此，在沒(méi)有增加成本的情況下，增強(qiáng)了對(duì)MOSFET的保護(hù)。 輸出過(guò)載和開環(huán)保護(hù)

大多數(shù)PWM IC 遇到負(fù)載異常情況時(shí)，通過(guò)讓驅(qū)動(dòng)芯片的電壓下降到器件的欠壓閉鎖閾值之下，來(lái)中止通常的工作模式。PI的系列器件都根據(jù)從輸出引出的反饋來(lái)選通輸入芯片的電源電流(參見(jiàn)圖2)。在這種結(jié)構(gòu)中，若來(lái)自輸出的反饋或者輸出調(diào)節(jié)功能喪失，將會(huì)讓芯片進(jìn)入自動(dòng)重啟模式，此時(shí)負(fù)載得到的只是滿輸出功率的一小部分(參見(jiàn)圖3)。這不僅大大提高了設(shè)計(jì)的承受能力，而且省去了起到輔助監(jiān)控作用的限流過(guò)載保護(hù)或急速短路保護(hù)電路，節(jié)約的成本達(dá)0.05~0.20 美元。這還使得電源的輸出二極管和電容的參數(shù)只需根據(jù)正常的滿負(fù)載輸出功率來(lái)選取即可，從而進(jìn)一步降低了成本。

圖2 帶有光電反饋的典型電路，可以對(duì)流入芯片的電流進(jìn)行選通過(guò)熱保護(hù)

圖3 器件處于自動(dòng)重啟模式時(shí)CONTROL和DRAIN引腳處的波形

電路集成了過(guò)熱保護(hù)功能后，就可以省去熱敏電阻及其相關(guān)電路，以及安裝所花的人工費(fèi)用，初步產(chǎn)生的成本下降幅度即達(dá)到0.07~0.13 美元。由于開關(guān)在電源中常常是溫度最高的元件，所以通過(guò)片式溫度敏感電路可對(duì)整個(gè)電源實(shí)行嚴(yán)密的過(guò)熱保護(hù)。此外，如果這項(xiàng)功能還具有一個(gè)很寬的熱滯后窗口的話，則還可以讓PCB 板在發(fā)生故障時(shí)溫度保持在100℃以下，因而設(shè)計(jì)者就可以使用價(jià)格較為低廉的PCB 材料，這又進(jìn)一步減少了0.05~0.15 美元的成本。 參數(shù)化的溫度補(bǔ)償和容差控制

一般說(shuō)來(lái)，對(duì)元件參數(shù)分布范圍的限制越松，其價(jià)格就越低。但是對(duì)于控制芯片來(lái)說(shuō)，如果放寬其參數(shù)的分布范圍，則要相應(yīng)提高電源鏈器件的指標(biāo)以補(bǔ)償這一放寬帶來(lái)的影響，其導(dǎo)致的成本提高，反而會(huì)抵消芯片價(jià)格的降低。例如，開關(guān)頻率的變化以及開關(guān)電流的極限跳變點(diǎn)(trip point)決定了電源可以承受的過(guò)載功率值。這兩個(gè)參數(shù)的容差范圍越寬，電源能提供的過(guò)載功率就越大。輸出二極管、變壓器芯、開關(guān)元件散熱器和鉗位電路的設(shè)計(jì)參數(shù)必須根據(jù)可能的過(guò)載功率來(lái)選取，而不是僅僅根據(jù)額定的總負(fù)載功率選取。如果這些元件參數(shù)根據(jù)滿負(fù)載要求來(lái)選取的話，成本的節(jié)約僅有0.10~0.25 美元。一個(gè)電源芯片必須根據(jù)其關(guān)鍵性能參數(shù)的容差和溫度補(bǔ)償情況來(lái)評(píng)價(jià)。

結(jié)語(yǔ)

基于一片高集成度的電源變換IC來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)電源，可以省去某些電路保護(hù)元件和隱含的保護(hù)措施，而且其原有的保護(hù)功能并沒(méi)有被削弱，同時(shí)，其BOM 成本還可降低0.35~0.95美元。