提高電源模組可靠度　低功率返馳式PWM IC建功

返馳式(Flyback)架構(gòu)的電源轉(zhuǎn)換器基于線路簡單、零件少等優(yōu)點，在小瓦特(W)數(shù)的電源轉(zhuǎn)換器上廣泛被采用，尤其是低功率交流對直流(AC-DC)返馳式脈沖寬度調(diào)變(PWM)IC更具應用前景。
成本考量擺第一　六接腳PWM IC封裝成主流

圖1所示為典型返馳式PWM IC的應用線路，其中，圖1a是使用高壓啟動的PWM IC；圖1b則是使用低壓啟動的PWM IC?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖1 典型返馳式PWM IC應用線路示意圖

兩者主要差異為高壓啟動的PWM IC將整流過后的直流高壓接至HV接腳，再藉由HV接腳以定電流的方式對Vcc接腳上的電容充電，直到IC啟動為止?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
而低壓啟動PWM IC則從交流輸入(AC Line)端透過啟動電阻對Vcc接腳上的電容充電讓IC工作。以圖1b為例，線路上主要可區(qū)分為幾個部分，一是由開關晶體、變壓器和整流二極體組成返馳式架構(gòu)，另外由TL431和光耦合器組成二次側(cè)電壓回授，最后是由PWM IC及周邊零件構(gòu)成的控制部分?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
值得一提的是，在5～70瓦(W)的應用中，返馳式PWM IC目前常用的封裝有八接腳的SOP8與DIP8，以及六接腳的SOT26。以通嘉科技產(chǎn)品為例，如圖2所示是典型八接腳反馳式PWM IC的腳位圖，其主要以高壓啟動為主，接腳功能包括HV接腳接至AC整流后端，提供IC開機前的啟動電流，在IC工作后，即停止啟動電流的輸出；NC接腳則無作用，主要是增加HV接腳與其他低壓接腳的安全距離。　

圖2 SOP8/DIP8 PWM IC接腳說明圖

此外，Vcc接腳提供IC的工作電源，在啟動前由HV接腳提供啟動電流，當啟動后改由變壓器的輔助繞圈提供；OUT接腳為輸出驅(qū)動開關電晶體的PWM波形；CS接腳負責開關晶體的電流偵側(cè)；補償接腳(COMP)做回授補償用；GND接腳做為IC的地?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
其中第一支接腳提供可選擇性的特別功能，它的特別功能大致上有下列幾種：RT提供可調(diào)整的工作頻率；CT提供可調(diào)整的過負載保護延遲(OLP Delay)時間；BNO提供可調(diào)整的開關機電壓；Latch用來做外部過溫保護(OTP)或其他保護功能?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
另一方面，圖3是典型六接腳返馳式PWM IC的腳位圖，它與八接腳封裝最主要的差異是在HV接腳與NC接腳，其他功能腳位則與八接腳包裝的幾乎相同。由于各家廠商都不斷的在做降低成本(Cost Down)的動作，SOT26的封裝價格比SOP8低大約三到五成，使得SOT26包裝的PWM IC有逐漸成為市場主流的趨勢。目前各家IC設計公司都致力開發(fā)功能更強且價格便宜的新產(chǎn)品，讓電源設計工程師們可以更容易又快速設計出符合規(guī)格的產(chǎn)品。　

圖3 SOT26 PWM IC接腳說明圖

低壓啟動優(yōu)勢顯　六接腳封裝效益多

以六接腳SOT26封裝PWM IC而言，未來應用發(fā)展前景一片光明，包括可應用于極低的Vcc啟動電流(Startup Current)與工作電流，如圖4所示是一般低壓啟動的線路，在Vcc接腳電壓低于IC啟動電壓觸發(fā)點(UVLO_on)時，IC本身就會有內(nèi)部邏輯消耗的電流，一般在IC規(guī)格上稱為啟動電流。而啟動時間大約可以用下式計算得知。　

圖4 低電壓PWM IC啟動線路示意圖





…(公式1)


其中，VUVLO(on)為Vcc的啟動電壓觸發(fā)點；Vac為輸入的交流電壓；Istartup系IC Vcc的啟動電流。而Cvcc則是Vcc接腳上的電容器容量；Rstart為啟動電阻?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
由于低壓啟動IC的啟動電流對開機的時間影響很大，從公式1可得知在使用相同的啟動電阻與Vcc電容器的前提下，當啟動電流越小時，啟動時間也會較?。粨Q句話說，若啟動時間要求相同時，較小的啟動電流則可使用更大的啟動電阻，而較大的啟動電阻其功率損耗也較小，可獲得更低的無載或是輕載輸入功率?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
除啟動電流外，IC的工作電流也對輕載與無載時的效率影響很大，目前很多規(guī)格都有待機功耗的要求，所以省電IC是必要的，但IC要達到小的電流損耗則帶來設計的考驗。以通嘉科技新一代的PWM IC來說，都具有極小的啟動電流與工作電流，在啟動時間與無載/輕載效率表現(xiàn)優(yōu)異?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
與此同時，由于SOT26的封裝只有六個腳位，除一般常用的固定腳位外，若想要增加其他的功能，已無其他腳位可以使用。此時若想要使IC有更多功能，則可利用一個腳位兼納多功能的方式完成，以增加整個IC功能?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
目前通嘉已有開發(fā)類似的IC，例如CS接腳與補償接腳功能共用腳位，如此即可省下一個空腳位做其他應用；另外在功能腳位上與過溫保護功能共用同一腳位，形成所謂的復合功能腳位，可達到六接腳 IC同時具有此兩大功能的效果。

精簡線路復雜度/成本　PWM IC導入OCP/OVP　　

至于電源供應器為預防在不正常工作下過熱，通常會規(guī)定要有過電流保護(OCP)的規(guī)格。如圖5所示，該功能通常在二次側(cè)上增加過電流保護線路，不過這樣會增加成本及線路復雜度?，F(xiàn)在大家逐漸偏向采用PWM IC本身的過電流保護來完成這項規(guī)格要求(公式2)?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖5 二次側(cè)外加過電流保護線路示意圖



……………公式2


其中，Lp代表變壓器感值；Vcs_off為電流偵側(cè)電壓點；Rsense系電流偵側(cè)電阻；Fsw則是工作頻率。由公式2可發(fā)現(xiàn)，對IC而言，影響過電流保護的主要參數(shù)是工作頻率和電流偵側(cè)電壓，故若提升這兩個參數(shù)的精準度，相對也可縮小系統(tǒng)過電流保護的誤差。　

不過在IC設計而言，若要提升精準度，大都使用微調(diào)(Trim)的方法，勢必也會增加IC電路的復雜度與成本。另由于現(xiàn)在電源皆須使用在全范圍(Full Range)電壓輸入的操作，此時IC內(nèi)部過電流補償?shù)臏蚀_度也會影響到過電流保護點的分布。值得慶幸的是，新一代PWM IC過電流保護已可達到在120～150%范圍內(nèi)，符合市場需求?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
另一方面，一般傳統(tǒng)電源若須做到較精準的過電壓保護(OVP)，如圖6所示，須在二次側(cè)增加過電壓保護的線路。通常在做過電壓保護測試時，常見做法是將回授的光耦合器二次側(cè)端短路，此時若將二次側(cè)過電壓保護的線路控制接至此處，會造成過電壓保護失效的情形。所以，通常使用二次側(cè)過電壓保護線路時會增加另一個光耦合器去做過電壓保護控制。同樣的，該做法也會增加線路的復雜度與成本?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖6 二次側(cè)外加過電壓保護線路示意圖

此外，有時也會利用IC Vcc接腳上的過電壓保護功能達成電源供應器保護動作，如圖7所示，該方案主要是利用輔助繞組整流后，供給Vcc的電壓去做過電壓保護，但此種做法在輸出輕載與重載時，過電壓的保護點會有差異。特別是在輕載時的OVP電壓會比在重載時高出許多，還有一個問題則是變壓器與輔助繞組的整流二極體的參數(shù)特性皆會影響到過電壓保護的電壓點，使用時須注意。　

圖7 利用IC Vcc做過電壓保護

因此，要靠PWM IC來實現(xiàn)精準輸出過電壓保護功能，來簡化電源電路的設計，已有廠商提出相關專利，并應用在新產(chǎn)品當中，強化新一代PWM IC的競爭力。顯而易見，新一代的PWM IC除了節(jié)能以外，也須提升其他的相關功能表現(xiàn)，如過電壓保護及過電流保護等?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
優(yōu)化PSR線路布局　減少設計占位空間

若針對市場應用來看，現(xiàn)在有很多小型充電器(Charger)或發(fā)光二極體(LED)照明產(chǎn)品，由于空間上的限制，常會使用一次側(cè)電壓回授穩(wěn)壓技術，如圖8所示為通嘉LD7511一次側(cè)電壓回授穩(wěn)壓線路圖，該架構(gòu)最主要的好處是可以省掉光耦合器與二次側(cè)TL431的相關元件，大幅簡化整個電源線路，藉以節(jié)省設計空間及成本?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖8 一次側(cè)回授線路示意圖

不過使用一次側(cè)電壓回授穩(wěn)壓還是存在著一些問題，像是不同變壓器的誤差或是不同二次側(cè)整流二極體的特性，還有開關造成的電壓突波等，都會影響到電壓調(diào)節(jié)準確度。其次它的暫態(tài)響應也比傳統(tǒng)二次側(cè)電壓回授來得差，也是須加強改進的缺點?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
滿足最大負載/ESD需求　PWM IC設計小心翼翼　

另外，新一代的PWM IC也須關注瞬間最大負載(Peak Load)的需求，舉例來說，早期印表機電源皆有瞬間最大負載的規(guī)格，且可能是額定負載(Rated Load)的二倍甚至三倍，時間可能從幾十毫秒(ms)至幾百毫秒不等。隨著筆記型電腦快速的發(fā)展，近來筆電變壓器(Adaptor)也開始有最大負載的需求，因此，在PWM IC設計方面，目前常見的解決方案有瞬間最大負載及兩段式過電流保護兩種方式?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
前者顧名思義是在瞬間最大負載抽載時，將其切換頻率提升至正常工作頻率的二倍或三倍，優(yōu)點在于瞬間最大負載將工作頻率提高時，可降低變壓器一次側(cè)的最大電流峰值(Peak Current)，相對也降低磁通密度，使變壓器更不易在最大負載時產(chǎn)生飽和，如此一來，即可維持原先使用的變壓器，而達到更高瞬間功率的輸出，且變壓器不必使用最大的瞬間功率來設計?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖9是補償接腳電壓與工作頻率的曲線圖，當補償接腳電壓大于正常負載的電壓時，除過負載保護計時器(Timer)會開始計數(shù)外，工作頻率也會隨著補償接腳的電壓變高而變高。因此，須搭載具最大負載升頻功能的IC，以在不大幅變更設計的情況下，達到最大負載的要求?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖9 Comp接腳電壓與工作頻率曲線關系圖

緊接著，兩段式過電流保護是在CS接腳上使用兩個比較器(Comparator)去偵側(cè)過電流，如圖10所示，第一個過電流保護的比較器用來設定系統(tǒng)過電流保護值；第二個過電流保護的比較器是最大電流峰值的保護。當?shù)谝粋€比較器觸發(fā)時，OLP delay1的時間會開始計數(shù)，以達