ACT30系列IC獨(dú)立控制器及其應(yīng)用

摘 要：推薦ACT30系列IC獨(dú)立控制器，對(duì)ACT30系列的外形引腳排列和內(nèi)部功能做了詳細(xì)說(shuō)明，并介紹了ACT30用于小功率開關(guān)電源和小功率電池充電器的實(shí)用電路。最后給出了ACT30的額定值的的電氣參數(shù)。
關(guān)鍵詞：ACT30系列；實(shí)用電路；額定值；電氣參數(shù)

1 ACT30的反偏安全工作區(qū)
    在小功率電池充電器、電源適配器及開關(guān)電源中，廣泛采用RCC變換器，其基本電路如圖l所示。

    這種RCC電路由于是基極激勵(lì)，其安全工作電壓受BVceo的限制。但是，如果采用了ACT30系列獨(dú)立控制器，接在普通NPN型開關(guān)晶體管的射極，或N溝道MOSFET的源極。如圖2所示，采取射極激勵(lì)的方式。就可大大改善NPN型晶體管的安全工作范圍。

    圖3為NPN反偏安全工作區(qū)。我們知道，通常BVcbo>BVceo，圖中的安全工作電壓由Vceo擴(kuò)大到Vcbo。這樣，對(duì)于交流265V的電網(wǎng)電壓，就可采用普通的NPN型功率開關(guān)晶體管。ACT30系列獨(dú)立控制器還具有輸出短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù)等功能。下面對(duì)IC器件及其實(shí)用電路作一詳細(xì)介紹。

2 ACT30的外形引腳及內(nèi)部功能
    1)ACT30的外形和引腳
    ACT30系列IC有兩種封裝形式：TO一92(見圖4a)幣NSOT23—5(見圖4b)。
    2)ACT30的引腳功能
    ACT30的引腳排列見表1。
    3)ACT30內(nèi)部功能

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    圖5為ACT30的功能方框圖。主要包括：開關(guān)控制邏輯、兩個(gè)帶有并聯(lián)電流檢測(cè)的接通芯片中間電壓驅(qū)動(dòng)MOSFET、驅(qū)動(dòng)器、振蕩器斜坡產(chǎn)生器、電流限制VC發(fā)生器、誤差比較器、打嗝控制偏置、欠壓鎖定和調(diào)壓電路。

    從圖5看出，該IC有6個(gè)內(nèi)部端子，VDD是電源供電端，DRVl和DRV2是線性驅(qū)動(dòng)輸出，可以驅(qū)動(dòng)外接NPN高壓晶體管或N溝道MOSFET管的射極。這種射極驅(qū)動(dòng)方式，可充分利用晶體管的BVcbo高的優(yōu)點(diǎn)。可采用低成本的晶體管，如W13003D(BVcbo=700V)或W13003(BVcbo=600V)適用輸入電壓變化較寬的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)換速度限制的驅(qū)動(dòng)和外接NPN晶體管的截止特性一起可使EMI降低。
    驅(qū)動(dòng)峰值電流(相對(duì)于供電電壓VDD)設(shè)定有負(fù)壓系數(shù)，這樣，較低的供電電壓，會(huì)自動(dòng)引導(dǎo)出較高的DRVl峰值電流，這種方式，當(dāng)供電電壓降低時(shí)，光耦器可以直接控制VDD去影響驅(qū)動(dòng)電流增加。
    4)ACT30的啟動(dòng)時(shí)序
    圖2表明一個(gè)簡(jiǎn)化的應(yīng)用電路。開始，微小電流通過(guò)電阻R1給電容C1充電，晶體管作為射極跟隨器，使DRVl電壓也隨之升高，內(nèi)部調(diào)節(jié)器產(chǎn)生VDD電壓使VDRl為3．6V(對(duì)于ACl730A／C)或4．6V(對(duì)于ACT30B／D)。不過(guò)，VDD不超過(guò)5．5V。當(dāng)VDD達(dá)到5V時(shí)，該調(diào)節(jié)器電源的作用停止，VDD開始下降(由于有電流消耗)，當(dāng)VDD電壓降到低于4．75V時(shí)，光耦反饋電路阻止VDD進(jìn)一步下降。這種轉(zhuǎn)換作用也允許反饋繞組接替C1電容去供電。圖6為ATC30的典型啟動(dòng)次序波形圖。為了限制反饋電壓，圖2中的VD1用12V穩(wěn)壓管(對(duì)于ACT30A／C)或者13V穩(wěn)壓管(對(duì)于ACT30B／D)。

    由于啟動(dòng)電流很小，可以把啟動(dòng)電阻R1加大到2MΩ。實(shí)際的R1值應(yīng)按待機(jī)損耗和啟動(dòng)時(shí)間延遲兩者兼顧考慮。
    在正常工作時(shí)，來(lái)自變壓器次級(jí)側(cè)的反饋信號(hào)，通過(guò)光耦轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)注入VDD腳。VDD腳的動(dòng)態(tài)電阻為9kΩ。綜合的VDD電壓影響IC的轉(zhuǎn)換。從功能方框圖看出，電流限制VC產(chǎn)生器利用VDD電壓和基準(zhǔn)電壓4．75V之間的差，在誤差放大器的負(fù)輸入端上產(chǎn)生一個(gè)成比例的偏差電壓。在每次開關(guān)周期開始點(diǎn)，該驅(qū)動(dòng)器接通。當(dāng)初級(jí)的電流增加時(shí)，電流檢測(cè)電阻電流(是變壓器初級(jí)電流的一部分)也隨時(shí)增加。
    當(dāng)電流檢測(cè)電阻上的電壓加上振蕩器斜坡信號(hào)，等于誤差比較器負(fù)的輸入電壓時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器就關(guān)斷。DRVl峰值電流具有負(fù)電壓系數(shù)，為一0．29A／V。
    當(dāng)輸出電壓小于調(diào)節(jié)器電壓，VDD腳上的電流就是零。并且VDD電壓下降，在VDD=VUV=3．35V，DRV1峰值電流最大為400mA。VDD電壓低時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流IDRV1最大，輸出升到調(diào)整點(diǎn)，超過(guò)此點(diǎn)，光耦又動(dòng)作，來(lái)阻止VDD下降。
    5)極限電流的調(diào)節(jié)
    該IC專有的驅(qū)動(dòng)安排，允許電流極限值在400mA及1．2A之間調(diào)節(jié)。
    為了理解這點(diǎn)，該驅(qū)動(dòng)器必須按線性電阻器件來(lái)使用。典型的電阻值為3．6Ω(而不是按數(shù)字輸出開關(guān)用)。電流極限值則可通過(guò)圖7所示的線性組合來(lái)計(jì)算。對(duì)于TO一92封裝ACT30A／C，均能設(shè)定到400mA極限值，而ACT30B／D被設(shè)定為800mA極限值。對(duì)于ACT30E(SOT23—5)包封，提供DVRl和DVR2兩個(gè)端子。

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    6)脈沖頻率跳變
    PFWM開關(guān)控制邏輯單元是依據(jù)輸出負(fù)載電流大小按不同的模式工作的。在輕載下，VDD電壓約為4．75V。由每個(gè)開關(guān)周期(最小導(dǎo)通時(shí)間為500ns)傳輸?shù)捷敵龆说哪芰?，引起VDD稍微增加到高于4．75V，PFWM開關(guān)控制邏輯單元框能夠檢測(cè)出這種狀態(tài)，并阻止VDD低于4．75V。這就導(dǎo)致在脈沖寬度固定而頻率可變的情況下，產(chǎn)生一種脈沖頻率跳躍作用。因?yàn)殚_關(guān)頻率下降了，所以，使功耗降低，典型的系統(tǒng)待機(jī)功耗是0．15W。
    7)輸出短路打嗝
    當(dāng)輸出端短路時(shí)，ACT30就進(jìn)入打嗝模態(tài)工作。在這種狀態(tài)下，輔助的供電電壓減弱了。在每周期截止時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)通芯片檢測(cè)器比較DRVl電壓和6．8V電壓，如果DRVl電壓低于6．8V，則IC就不起動(dòng)下一個(gè)周期，使輔助電壓和VDD電壓兩者進(jìn)一步下降，當(dāng)VDD電壓降低于3．35V時(shí)，電路則進(jìn)入啟動(dòng)模式。
    這種打嗝狀態(tài)，一直持續(xù)到短路被排除為止。有這樣的特性，使有效的工作比很低，短路電流很小。為確保IC容易地進(jìn)入打嗝模式，變壓器的繞制應(yīng)使反饋和輸出繞組間緊密耦合。繞制次序(從內(nèi)到外)為初級(jí)繞組、輸出繞組、反饋繞組。

3 實(shí)用電路介紹
    下面介紹采用ACT30構(gòu)成的兩種實(shí)用電路。
    1)小功率開關(guān)電源(AC—DC適配器)開關(guān)電源電路如圖8所示。其輸入電壓為85～265V，50／60Hz，最大輸出功率5W。輸出電壓Uout=5V±0．5％，輸出電流Iout=0～lA。開關(guān)頻率65kHz。

    電路工作詳細(xì)說(shuō)明如下：
    輸入交流電壓通過(guò)VD1～VD4、C1和C2、保險(xiǎn)管F1、整流濾波。保險(xiǎn)管F1是一種阻燃的可熔斷型，防止故障狀態(tài)，并滿足安規(guī)故障測(cè)試要求。C1和C2滿足2μF／W，所用電容值較小。電源頻率輸出紋波會(huì)增加，典型情況下，差模EMI(<500kHz)也會(huì)增加。為滿足EN55022B／CISPR22B和FCCB傳導(dǎo)EMC限額要求，由電容C1和C2及電感L1組成π形濾波器。
    接通電源，高壓就加在變壓器Tl的1腳上。然后，微小電流就通過(guò)電阻(R1+R2)給電容C3充電，而晶體管VT1作為一個(gè)射極跟隨器，提升ACT30A的引腳3(DRVl)上的電壓，IC內(nèi)部調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個(gè)電壓UDRV1=3．6V，(最大值為5．5V)加到ACT30A的1腳(FB／VDD)，并通過(guò)R8給C5充電。當(dāng)UDRV1增加到8．6V(VDD達(dá)到5V)該調(diào)節(jié)器電源的作用停止，而VDD則開始下降。由于ACT30A的內(nèi)耗電流流過(guò)，當(dāng)VDD電壓降到低于4．75V時(shí)，IC就開始工作，驅(qū)動(dòng)電流增加，利用C5中的能量去供給IC。當(dāng)該輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，光耦(IC2)反饋電路就阻止VDD進(jìn)一步下降。該變壓器也可用輸出繞組接替供電電容經(jīng)過(guò)IC2的次級(jí)驅(qū)動(dòng)VT1的射極。(R1+R2)的數(shù)值決定著啟動(dòng)時(shí)間。(R1+R2)也影響待機(jī)損耗，而C3在輸出建立期間內(nèi)(在這段時(shí)間輸出繞組可能不會(huì)給C3足夠的能量)還起驅(qū)動(dòng)VT1基極的作用，這樣(R1+R2)和C3的數(shù)值應(yīng)該在待機(jī)損耗和輸出建立時(shí)間及在最小輸入電壓下有滿載輸出之間進(jìn)行權(quán)衡選擇。
    在輸出建立期間，C5還用作ACT30A的電源。這樣，它就應(yīng)該儲(chǔ)存足夠的能量，以保證在最差的條件(在輸入電壓最小時(shí)滿載輸出)下也能建立起輸出，(R8+C5)對(duì)整個(gè)回路工作的穩(wěn)定性還起著極性補(bǔ)償作用。C6是ACT30A的FB／VDD腳對(duì)地的解耦電容器。VD6是對(duì)反饋繞組電壓的整流二極管，R6是限流電阻，R6值大些會(huì)減少反饋繞組的損耗，提高效率。但它也不能太大，應(yīng)該保證在待機(jī)狀態(tài)有正常的輸出。
    Z1是穩(wěn)壓二極管，用來(lái)箝位C3上的電壓，阻止它升得太高，(在滿載狀態(tài))R10是用來(lái)控制回路增益，防止在輸出建立期間，ACT30的FB／VDD腳過(guò)沖電壓，高于4．75V，進(jìn)入破壞模態(tài)工作。
    R7決定著VT1基極的驅(qū)動(dòng)電流，因?yàn)閂T1應(yīng)該總是工作在飽和狀態(tài)。(否則Uce會(huì)升高，功耗變大，VT1可能毀壞)即基極電流Ib應(yīng)大于Ic／β。
    VD7是VT1be結(jié)的反向二極管。如果R7較小會(huì)引起VT1深飽和，從而增加ACT30從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時(shí)的時(shí)間間隔。(VT1的翻轉(zhuǎn)時(shí)間)增加了過(guò)渡損耗。效率降低，EMI性能也變差。所以，在保證VT1工作在飽和狀態(tài)，R7應(yīng)該盡可能選大些。
    VT1是該變換器的主開關(guān)元件，當(dāng)ACT30切斷時(shí)，它要承受直流高壓，這里采用了所謂射極驅(qū)動(dòng)的新型結(jié)構(gòu)，取代基極驅(qū)動(dòng)。所以，SOA(安全工作范圍)從VCEO曾加到VCBO，可以用常規(guī)的NPN型W13003 TO一126封裝的晶體管作為VT1。
    吸收電路由R3、R4、R5、C4及VD5組成，由于變壓器T1的漏感，在由導(dǎo)通過(guò)渡到截止期間，會(huì)產(chǎn)生高壓尖峰信號(hào)。它會(huì)擊穿VT1并引起EMI。所以，必須鉗住該尖峰信號(hào)，以保護(hù)VT1，并得到較好的EMI結(jié)果，R3及R4取值小些，C4容量大些，會(huì)吸收較多的尖峰能量，并把它鉗位到一個(gè)較低的電壓，但又會(huì)增加待機(jī)損耗。VD5應(yīng)選擇快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管，當(dāng)然，快速恢復(fù)二極管較便宜些。
    VD8是次級(jí)整流二極管，應(yīng)在最高環(huán)境溫度下，按平均電流乘以正向壓降。所產(chǎn)生的功率(溫升)來(lái)考慮快恢復(fù)或超快恢復(fù)PN型二極管。由R17和C10組成的吸收電路。可以接在VD8兩端，以改善EMI性能。
    C7和C8是輸出電容，要求選用等效串聯(lián)電阻ESR低的鋁電解電容器，滿足輸出電壓和紋波電流要求。低通濾波器可由C7和C8及電感L2組成，可改善輸出電壓紋波及EMI性能。
    輸出電壓(恒壓CV型)可通過(guò)R12、R13及IC3的基準(zhǔn)電壓(UREF)來(lái)計(jì)算，R12、R13是精度為1％的精密電阻，以保證輸出電壓的精度。反饋環(huán)由光耦I(lǐng)C2，R9a、R9b、VT2及電壓基準(zhǔn)IC3(典型情況為TL431)組成。IC2也作為變壓器初級(jí)的隔離元件，它的電流傳輸比CTR(current transitionratio)為0．8～1．6，可選B級(jí)PC817。R9a是用來(lái)控制回路增益，R0b維持VT2的偏流，IC3保證在所有狀態(tài)的啟動(dòng)。
    CV模式是由IC2、R9a、R9b及IC3、R12和R13來(lái)執(zhí)行的，當(dāng)輸出電流未高出設(shè)置點(diǎn)，轉(zhuǎn)換工作為CV模式，而輸出電壓等于VREF×(1+R12／R13)。
    Ca和R10是IC3的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可保持輸出穩(wěn)定。
    CC模式是由IC2、R9a、R9b和VT2、R11、R14、R15來(lái)執(zhí)行的，實(shí)際上，R14//R15是用做電流檢測(cè)電阻。當(dāng)R14／R15上的電壓降超過(guò)VT2的UBE電壓時(shí)，VT2就導(dǎo)通，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)IC2的初級(jí)LED接替控制該回路。[!--empirenews.page--]
    這樣，最大的輸出電流近似等于UBE／(R14//R15)，R14、R15的精度為1％，以獲得最大輸出電流的精度。R14用lW金屬膜電阻即可。R15、R11則可用SMD電阻來(lái)限制VT2的基極電流。
    正如上節(jié)所述，C2與C2之間的L2，C7和C8之間的L3，C10同R17串聯(lián)，RCD吸收電路都對(duì)改善EMI性能有好處。為了消除傳導(dǎo)及輻射EMI，以滿足EN55022B／CISPR22B及FCCB規(guī)范，也采用其它手段。
    CY是降低EMI的主要元件，它起Y電容的作用。CY值大了會(huì)得到較好的EMI性能，但又會(huì)使變壓器初級(jí)一次級(jí)間產(chǎn)生較多的漏電流。在繞制變壓器時(shí)，附加繞制一個(gè)繞組作為屏蔽。必要時(shí)可采用銅箔纏繞在變壓器外面，作為電通量的導(dǎo)通層，可獲得較大的EMI裕度。
    2)小功率電池充電器
    圖9為采用ACT30和ACT32(相當(dāng)于TL431)及Wl3002A(T0—92，BVceo>400V，BVcbo>600V)構(gòu)成的3．75W充電器。交流輸入85～265V，輸出為5V／0．75A。

    為了改變直流輸出電壓UoutCV和直流電流大小IoutCC，可改變R7和R6：

    R7=80kΩ·[(VoutCV一1V)／3．8V—l]
    R6=250mA／IoutCC
    采用ATC30布置PCB時(shí)應(yīng)注意：
    (1)ACT30的VDD腳要接旁路元件(圖6中的C5、C6)，且這些元件的接地是和變壓器初級(jí)側(cè)和輸入濾波電容器(圖6中的C2)的接地端子。
    (2)使輸入濾波器，變壓器初級(jí)繞組，高壓晶體管以和ACT30之間的連接線或回路要盡量短。
    (3)使變壓器次級(jí)繞組，輸出整流二極管和輸出濾波電容間的回路盡量短。
    (4)為了散熱，高壓晶體管、輸出整流二極管和分流電阻引腳連接的銅箔尺寸適當(dāng)大些。

4 ACT30的電氣參數(shù)
    (1)ACT30的額定值A(chǔ)CT30的額定值見表2。

    (2)ACT30電氣特性ACT30的電氣特性見表3。VDD=4V、Tj=25℃(測(cè)量)。