一款基于IW1706的AC—DC原邊反饋恒壓開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

1.驅(qū)動(dòng)芯片IW1706-00介紹

IW1706是一種采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)建峰電流模式PWM反激式高性能的交流/直流電源控制器。此芯片中包含了直接驅(qū)動(dòng)功率晶體管，工作在準(zhǔn)諧振模式，高效率，內(nèi)置保護(hù)功能等特點(diǎn)，同時(shí)顯著減少了外圍元器件數(shù)量可達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低材料總成本的目的。IW1706具備軟啟動(dòng)方案，它允許快速而順利啟動(dòng)與小型和大型的電容負(fù)載。IW1706消除次級(jí)反饋電路同時(shí)也具備了出色的輸出特性和負(fù)載調(diào)節(jié)。它也消除環(huán)路補(bǔ)償元件的需要在保持穩(wěn)定的同時(shí)在所有操作條件。脈沖波形分析脈沖允許一個(gè)環(huán)響應(yīng)比傳統(tǒng)的解決方案更快，從而提高了動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)。內(nèi)置的功率限制功能可以優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)在通用離線應(yīng)用，允許一個(gè)廣泛的輸入電壓范圍。電力供應(yīng)與iw1706建立可以實(shí)現(xiàn)最高的平均效率和快速而順利啟動(dòng)寬范圍電容負(fù)載。

IW1706具有以下特點(diǎn)：

● 原邊反饋消除光電隔離器和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

● 自適應(yīng)控制能夠快速和軟啟動(dòng)

● 很緊的恒定電壓調(diào)節(jié)

● 低共模噪聲

● 優(yōu)化PWM開(kāi)關(guān)頻率72 kHz的最大達(dá)到最佳規(guī)模和效率

● 自適應(yīng)PWM/PFM控制提高了效率

● 直接驅(qū)動(dòng)晶體管開(kāi)關(guān)降低了成本

● 動(dòng)態(tài)的基極電流控制

● 無(wú)外部補(bǔ)償元件

● 符合EPA 2節(jié)能規(guī)范有足夠的裕度

● 內(nèi)置短路保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)

● 內(nèi)置的電流檢測(cè)電阻短路保護(hù)

● 恒電流控制

表1：

管腳號(hào)

名稱

描述

1

Vcc

電壓輸入腳及邏輯控制腳

2

GND

地

3

Vsense

輔助繞組模擬電壓輸入腳

4

Isense

類比電流輸入腳，用來(lái)限制環(huán)路峰值電流控制模式及周期

5

Output

晶體管輸出驅(qū)動(dòng)腳

主體電路的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中AC-DC部分選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)隔離式原邊反饋驅(qū)動(dòng)方案，可應(yīng)用于190-265V的輸入電壓范圍，輸出為18V、300mA。

2、輸入EMI濾波

保險(xiǎn)絲FU1提供整個(gè)系統(tǒng)的故障保護(hù)，此外提供額外的阻尼以保證系統(tǒng)在調(diào)光過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)震蕩從而引發(fā)的閃爍現(xiàn)象。

壓敏電阻VR1通常被廣泛的應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源線路中，其作用主要是防止因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓中的瞬時(shí)電壓突變從而造成的可能對(duì)外圍電路的傷害。當(dāng)高壓來(lái)到時(shí)，壓敏電阻的電阻降低而將電流予以分流，防止受到過(guò)大的瞬時(shí)電壓破壞或干擾。因而保護(hù)了敏感的電子組件。

橋式整流器BR1則是利用二極管的單向?qū)ㄐ赃M(jìn)行整流，常用來(lái)對(duì)AC交流電進(jìn)行全波整流，以獲得良好的功率因數(shù)和低THD。

圖2 輸入整流部分

EMI濾波部分：電容EC1、EC2和共模扼流圈L1形成位于橋式整流管后面的EMI濾波器。該輸入π濾波器網(wǎng)絡(luò)與IW1706芯片的頻率調(diào)制特性完美結(jié)合，可使設(shè)計(jì)滿足Class B干擾限值。電阻R1可在必要時(shí)衰減EMI濾波器的諧振，從而防止當(dāng)在系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)器加外殼)中測(cè)量時(shí)EMI頻譜中出現(xiàn)峰值。

圖3EMI濾波部分

3、啟動(dòng)電路

芯片IW1706采用創(chuàng)新的專有軟啟動(dòng)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑啟動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，VCC引腳通過(guò)啟動(dòng)電阻R2、R2A、R2B上電，當(dāng)電源電壓VCC旁路電容完全充電，電壓高于啟動(dòng)閾值的VCC(ST)，使信號(hào)變得更加活躍，使控制邏輯，和iw1706的軟啟動(dòng)功能。軟啟動(dòng)過(guò)程中，原邊峰值電流是有限的循環(huán)于內(nèi)部比較器。整個(gè)軟啟動(dòng)過(guò)程可以分解為幾個(gè)階段基于輸出電壓水平，這也就是通過(guò)原邊間接檢測(cè)到的信號(hào)。在不同階段,iW1706自適應(yīng)控制開(kāi)關(guān)頻率和一次側(cè)峰值電流,輸出電壓可以快速建立在早期階段順利過(guò)渡到所需的調(diào)節(jié)電壓在最終階段,無(wú)論任何應(yīng)用程序可能產(chǎn)生的電容和電阻負(fù)載。這種自適應(yīng)控制方式使得整個(gè)系統(tǒng)成本最低，同時(shí)軟啟動(dòng)功能使得iW1706能夠理想配合電源適配器應(yīng)用如ADSL調(diào)制解調(diào)器等大電容負(fù)載。

如果在任何時(shí)候Vcc電壓低于欠壓鎖定(UVLO)閾值Vcc(UVL)，然后iW1706就開(kāi)始關(guān)閉。此時(shí)啟動(dòng)信號(hào)變得低和VCC電容開(kāi)始充電再次向啟動(dòng)閾值初始化一個(gè)新的軟啟動(dòng)過(guò)程。

圖4 啟動(dòng)電路

4、IC控制電路

IW1706是一款數(shù)字型控制IC，與模擬型控制IC不同，他主要工作特性如下：

在恒壓模式操作時(shí),如果滿負(fù)載工作條件下，iW1706通常工作在脈寬調(diào)制(PWM)模式。在PWM模式下,芯片開(kāi)關(guān)頻率保持不變。當(dāng)輸出負(fù)載IOUT降低時(shí)，Ton下降,隨后控制器自適應(yīng)轉(zhuǎn)換為脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式。在PFM工作模式下，降低負(fù)載電流,時(shí)間增加,因此切換頻率減少。

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率接近人耳聽(tīng)覺(jué)臨界時(shí)，,iW1706轉(zhuǎn)換到另一個(gè)級(jí)別的PWM模式,即深度PWM模式(DPWM)。DPWM模式期間,開(kāi)關(guān)頻率保持在25 kHz為了避免音響噪音。隨著負(fù)載電流進(jìn)一步減少,iW1706轉(zhuǎn)換到另一個(gè)級(jí)別的PFM模式,即深度PFM模式(DPFM)，也就是說(shuō)芯片可以降低開(kāi)關(guān)頻率到非常低的水平，雖然整個(gè)聲音頻率范圍切換頻率下降。

iW1706還包含一個(gè)獨(dú)特的專有的準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)方案,達(dá)到電壓控制模式時(shí)，打開(kāi)每一個(gè)PWM和PFM切換周期,在PFM和PWM模式,在CV和CC不同工作模式下操作。這種獨(dú)特的功能大大降低了開(kāi)關(guān)損耗和dv / dt在整個(gè)運(yùn)行范圍的電源。這種獨(dú)特的功能大大降低了開(kāi)關(guān)損耗和dv / dt在整個(gè)運(yùn)行范圍的電源。由于準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)的性質(zhì),實(shí)際逐周期切換頻率會(huì)略有不同,這對(duì)降低EMI提供額外的幫助。這些創(chuàng)新的數(shù)字控制架構(gòu)和算法使iW1706達(dá)到最高整體有效率不熟悉和最低EMI,不會(huì)造成可聽(tīng)噪聲在整個(gè)操作范圍。

在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的下降沿VSENSE將檢查。如果VSENSE的下降沿未被檢測(cè)到,關(guān)井時(shí)間將延長(zhǎng)至檢測(cè)到VSENSE的下降沿。最大允許變壓器110μs重置時(shí)間。當(dāng)變壓器重置時(shí)間達(dá)到110μs，iW1706停止運(yùn)行。

峰值電流限制(PCL)過(guò)流保護(hù)(OCP)和檢測(cè)電阻(R5、R5A、R5B)短保護(hù)內(nèi)置到iW1706(SRSP)特性。iW1706的ISNSE能夠監(jiān)視一次電流峰值。這允許逐周期峰值電流控制和限制。當(dāng)主峰值電流乘以電流檢測(cè)電阻大于1.15 V時(shí)，系統(tǒng)判定過(guò)電流(OCP)，此時(shí)集成電路將立即關(guān)閉直到下一個(gè)周期。

為避免電流檢測(cè)電阻短路或者有潛在危險(xiǎn)的過(guò)電流條件不被檢測(cè)到。因此,集成電路設(shè)計(jì)檢測(cè)到之后立即啟動(dòng)和關(guān)閉。IC的VCC電壓開(kāi)始降低，VCC低于UVLO閾值后,控制器重啟,然后啟動(dòng)一個(gè)新的軟啟動(dòng)周期?？刂破骼^續(xù)嘗試啟動(dòng),但不完全啟動(dòng),直到故障條件移除。

圖5 IC控制電路

5、VCC供電和輸出反饋回路

如上所述，當(dāng)VCC旁路電容電壓高于啟動(dòng)閾值的VCC(ST)，系統(tǒng)開(kāi)始工作。啟動(dòng)電阻開(kāi)始停止工作，此時(shí)輔助繞組上電壓經(jīng)過(guò)D2、R7持續(xù)供電給VCC引腳。D2、R7作用是濾除因變壓器上漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，該尖峰電壓如果直接加到VCC引腳，芯片內(nèi)部會(huì)對(duì)尖峰電壓進(jìn)行誤判斷，芯片內(nèi)部會(huì)判斷VCC電壓高于過(guò)壓鎖定(UVHO)閾值Vcc(UVH)。從而引起芯片的誤操作。

輸出反饋回路CV操作模式：現(xiàn)在大部分芯片都是直接取樣輔助線圈上電壓，由于漏感的原因，在MOS關(guān)斷后，也就是次級(jí)二極管導(dǎo)通瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰，影響電壓采樣，為了避開(kāi)個(gè)這個(gè)尖峰，大部分廠家都是采用延時(shí)采機(jī)，也就是在MOS管關(guān)斷一段時(shí)間后再來(lái)采樣線圈電壓。從而避開(kāi)漏感尖峰。這種采樣方式其實(shí)在以前很多芯片上的過(guò)壓保護(hù)上也都有應(yīng)用，比如OB2203和UCC28600，NCP1377上都有這樣的應(yīng)用，所以可以得到較高精度的過(guò)壓保護(hù)。還有些廠家是在下取樣電阻上并一個(gè)小容量的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)建義大家吸收電路使用恢復(fù)時(shí)間約只有2us的IN4007再串一個(gè)百歐左右的電阻作吸收。可以減小漏感產(chǎn)生的振鈴，從而減小取樣誤差。得到較高采樣精度。次級(jí)圈數(shù)固定，輔助繞組固定，取樣精度高。比較器內(nèi)部精度也高，自然可以得到較高的輸出電壓精度。

以上文字描述詳見(jiàn)下圖，其中包括輸出電壓的計(jì)算公式。

下圖中，很多人不明白C3的作用。分析如下：

采樣電壓和基準(zhǔn)電壓比較產(chǎn)生誤差電壓，PSR是關(guān)斷MOS次級(jí)續(xù)流時(shí)候采樣，電容C3的作用就是存儲(chǔ)誤差電壓的。如果不加這個(gè)電容。次級(jí)管斷的時(shí)候采樣，到初級(jí)開(kāi)通MOS的時(shí)候控制電路就根本不知道次級(jí)輸出的情況。這個(gè)點(diǎn)容如果太大，那么上面會(huì)存儲(chǔ)過(guò)多的能量。當(dāng)輸出變動(dòng)的時(shí)候要很長(zhǎng)時(shí)間這個(gè)電容才能回復(fù)到正確的誤差電壓。所以就表現(xiàn)出電源響應(yīng)慢。因此C3的選擇也很重要。

圖6 VCC供電和輸出反饋回路

6、RCD吸收回路

RCD吸收電路它由電阻Rs、電容Cs和二極管VDs構(gòu)成。電阻Rs也可以與二極管VDs并聯(lián)連接。RCD吸收電路對(duì)過(guò)電壓的抑制要好于RC吸收電路，與RC電路相比Vce升高的幅度更小。由于可以取大阻值的吸收電阻，在一定程度上降低了損耗。也就是說(shuō)，其主要目的是：用于吸收功率Mos(芯片內(nèi)部已集成,Vds耐壓值為650V)漏源端尖鋒電壓，其取值可以視情況予以減輕。，通常會(huì)在RCD吸收回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，串聯(lián)一個(gè)電阻的作用是抑制RCD的二極管的反向恢復(fù)電流，包括吸收的二極管采用慢管也是同樣的作用，都是起到延長(zhǎng)EMI退磁回路的調(diào)整作用;

圖6 RC吸收回路

7、輸出回路控制

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，確定輸出肖特基二極管的耐壓。對(duì)于這類芯片架構(gòu)， 12V輸出電壓建議采用100V耐壓的肖特基二極管。24V輸出電壓建議選用200V耐壓的肖特基二極管。因此本次設(shè)計(jì)輸出18V也可以選用200V耐壓的肖特基二極管。

R9、C4 是整流管的吸收回路,對(duì)整流管的電壓波形起調(diào)整作用,并防止過(guò)高的尖鋒電壓損壞整流管;對(duì)EMI 整改有用。

EC4,EC5,EC6是儲(chǔ)能電容,可以說(shuō)輸出部分的能量都要由它們提供,對(duì)它們的要求是內(nèi)阻越小越好,能承受的紋波電流越大越好。

R10是假負(fù)載,對(duì)電源輕載時(shí)的穩(wěn)定性有作用,并不一定用到,先留位置。

ZD1是穩(wěn)壓管，起過(guò)壓保護(hù)作用。如果ZD1 短路擊穿，則永久性損壞電源，保護(hù)終端設(shè)備，，比如iphone 、ipad等。當(dāng)然，這樣做，必須建立在，電源有良好的短路保護(hù)情況下，過(guò)壓保護(hù)，是意外保護(hù)，居然電源產(chǎn)品過(guò)壓了，我們就不要因?yàn)橐粋€(gè)電源，燒毀用戶昂貴的手機(jī)。就是平衡設(shè)計(jì)，平衡考慮的結(jié)果了。

另外，數(shù)字型控制芯片有一個(gè)好處就是，為減少次級(jí)電路在與電纜和電纜連接器連接過(guò)程中的壓降，iW1706集成了一個(gè)創(chuàng)新的方法來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)情況。這個(gè)電壓降的iW1706補(bǔ)償通過(guò)提供反饋信號(hào)的電壓偏移基于負(fù)載電流檢測(cè)的數(shù)量。

圖7 輸出回路控制

參考文獻(xiàn)：

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