新穎的小功率集成的AC-DC轉(zhuǎn)換器方案

隨著半導體技術(shù)的不斷進步，為系統(tǒng)設(shè)計師、電路設(shè)計師實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供了一個先進的技術(shù)平臺，從而有許許多多新穎的、時尚的便攜式電子產(chǎn)品呈現(xiàn)在世人面前，像PDA、3G手機、各種個人電子醫(yī)療保健裝置以及層出不窮的游戲機等等。這些便攜式電子產(chǎn)品大多需要高檔的開關(guān)電源來供電或充電，此外，還有許多先進的便攜式儀器儀表，工控裝置乃至像剃須刀這樣的日常用具也需要開關(guān)電源。正是在這種背景下，PHILIPS推出了STARplug電源IC產(chǎn)品系列。
　　該系列不但滿足了便攜式電子產(chǎn)品微功耗、高可靠、微小型化等要求，還滿足了使用安全性和環(huán)保的需求。

　　關(guān)于STARplug產(chǎn)品系列
　　STARplug有兩個系列，即TEA152X系列和TEA162X系列(見表1)。TEA152X系列是早在2000年9月問世的，TEA162X系列則是對TEA152X系列的改進，并于2004年5月定型的，這兩者在框圖、電路結(jié)構(gòu)、外引線排列及絕大多數(shù)電參數(shù)都是相同的。所不同的僅在芯片內(nèi)部高壓啟動電流源上，TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值)，TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。  

　　STARplug采用多芯片結(jié)構(gòu)。所有控制部分用BiCMOS工藝集成在一個芯片上，而功率部分則用EZ-HV工藝做在另一個芯片上，然后在同一個基片上優(yōu)化組合而成。從制造工藝上看，飛利浦采用了先進的全氧化隔離工藝(或稱介質(zhì)隔離工藝)，因此其有以下特點：
　　1. 可免除鎖定效應(鎖定效應是CMOS電路特有的一種失效模式)；
　　2. 可以方便地在同一個芯片上實現(xiàn)模擬，數(shù)字和功率電路的集成；
　　3. 芯片面積也比標準的PN結(jié)隔離要??；
　　4. 漏電流極低，適于高溫環(huán)境下工作；
　　5. 寄生電容小，通過襯底產(chǎn)生的串擾和EMC的概率很小；
　　6. 抵御外部電火花及反極性的能力強。
　　這些都有利于支撐STARplug的高性能和高可靠性。
　　從電路設(shè)計上看，一個重要的特點是提出了谷值轉(zhuǎn)換的概念。
　　一般說來，功率MOS管耗散的功率是開關(guān)電源自身功耗的主要來源。它與電源的可靠性，穩(wěn)定性，效率都密切相關(guān)。功率MOS管的功耗通常由三部分組成：
　　1. MOS管截止時的功耗，即VDS為高電平的功耗：這個功耗主要由漏極D和源極S之間的漏電流來決定，與芯片制造工藝有關(guān)，IDS(off)通常在微安量級，因此這部分功耗極低，一般可以忽略。
　　2. MOS管導通時的功耗，即VDS為低電平時的功耗，這個功耗主要決定于漏極和源極之間的導通電阻RDS(on)。這與芯片設(shè)計的幾何參數(shù)有關(guān)。
　　3. MOS管動態(tài)功耗，即MOS管由截止向?qū)ㄞD(zhuǎn)換，或由導通向截止轉(zhuǎn)換時的功耗。這個功耗可用下式計算：

　　飛利浦的電路設(shè)計師，分析了上述公式，認識到要降低開關(guān)電源的動態(tài)功耗，只能由降低轉(zhuǎn)換時的VDS和負載下降時的f入手。通常VDS為380V左右，如果利用電路諧振將VDS于谷底(接近于0V)時，使MOS管由截止進入導通，則MOS管的動態(tài)功耗將下降幾個數(shù)量級。為此，在電路設(shè)計上，加上了谷值檢測電路，一旦電路諧振，能正確地測出“谷底”，并在VDS進入“谷底”之時，在柵極G和源極S之間輸入經(jīng)PWM后的脈沖上升沿。
　　上個世紀90年代的PWM芯片，工作頻率f大多為固定頻率。為了降低功耗，特別是降低待機功率，STARplug采取了可調(diào)變頻率的靈活電路設(shè)計。用戶設(shè)定的頻率為滿載時的工作頻率。當負載下降時，工作頻率也相應下降。從而保證了待機功耗低于100mW。
　　此外，STARplug系列芯片用高壓電流源來啟動，一旦IC進入正常工作狀態(tài)，則高壓電流源將自動切斷，從而減少了電路的功耗。由此可知，電路的整個設(shè)計過程。都貫徹了一條減少功耗的思想，正是因為功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地減少了功耗，因此就能夠?qū)⒐β势骷涂刂齐娐?strong>集成在一個封裝中，有效地減少了外圍元件。另外為了使電路能可靠地工作，還提供了完善的保護功能，包括了逐個周期過流保護、欠壓鎖定、過壓保護、過溫保護、繞組短路保護、退磁保護。

　　STARplug功能描述
　　1. STARplug的結(jié)構(gòu)
　　圖1是STARplug的內(nèi)部電路框圖。不難看出，圖中包括功率MOS管和控制電路兩大部分。功率MOS管主要用來實現(xiàn)功率的傳輸和轉(zhuǎn)換。而控制電路則肩負三大任務：
　　1. 實現(xiàn)所有保護功能的快速反應。
　　2. 谷值電平的準確檢測。
　　3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

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 圖1：STARplug內(nèi)部電路框圖。

過壓保護
　　在芯片的框圖中，雖然沒有為過壓保護設(shè)計專門的通道，但這個功能是存在的。在實際應用過程中，一旦產(chǎn)生過電壓，則必然將REG端的工作電平上拉，從而使初級繞組的工作行程 立即終止。只有當過壓消除，REG端電壓恢復到正常值，功率MOS管才能正常開關(guān)。 Starplug的應用
　　前已述及，STARplug有兩種反饋方式，這兩種方式就構(gòu)成了STARplug作為反激式AC/DC轉(zhuǎn)換器的兩種典型應用電路。
　　圖2是最簡單最基本的應用電路，其特征就是由變壓器的輔助繞組來反饋電網(wǎng)和負載的變化。
　　由圖2可見，由整流橋和濾波器組成了電路的輸入部分，并通過變壓器初級繞組加到TEA162x的Drn端。顯然，TEA162x是整個轉(zhuǎn)換器的心臟，以下圍繞TEA162x分析一下圖2的各部分電路。

　　1. 由C3R2組成振蕩電路
　　振蕩電路元件的值是根據(jù)工作頻率來確定的，STARplug的開關(guān)頻率可在10kHZ到200kHZ之間工作，通常工作頻率大都選在40~100kHZ之間。
　　頻率選定了，則可按下式來計算元件值： 

 　　振蕩器的充電時間tcharge，由STARplug的參數(shù)表中查出為1us。
　　至于RC的取值，可先選定C，然后再算R值，要保持電路的穩(wěn)定，電容C必須大于220pF，但從效率方面來考慮，頻率高時亦不宜將電容選得太大，例如200kHZ時，C取10nF，則振蕩器的功耗達到12.5mW，這顯然是不可取的。
　　推薦實例：開關(guān)頻率取100kHZ，這時振蕩器的時間常數(shù)為2.7us，C取330pF，R=7.5kΩ。

2. 過流保護和繞組短路保護電阻R3：
　　電阻R3設(shè)置了變壓器初級峰值電流，也設(shè)定了最大傳輸?shù)妮敵龉β?，電阻R3的值可用下式計算： 　　

由STAR plug的手冊可得知：

　　實例：一個3W的電源，開關(guān)頻率為100kHZ，效率為75%，通過變壓器的峰值電流為230mA(反射電壓)，則電阻R3設(shè)定為2Ω，限定峰值電流為250mA。

3. 穩(wěn)壓元件R4和R8：
　　在輔助繞組反饋的電路中，輸出電壓是受輔助繞組控制的。實際上在變壓器中所有繞組都有同一個磁通變量，次級輸出電壓和輔助電壓VCC是通過變壓器的匝數(shù)比Na/Ns而關(guān)聯(lián)的。VCC的電壓信息又通過一個電阻分壓器，即R4和R8提供給REG端的，因此，TEA162X直接穩(wěn)定了VCC的輸出電壓，間接的穩(wěn)定了輸出電壓。
　　這兩個電阻的值可由下式確定：

　　為防止瞬時高壓對REG的影響，推薦R4的值為3k-10kΩ之間。

4、退磁電阻R5：
　　這個電阻是用來限制流入Aux腿的電流的，根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)條件，流入Aux腿的最大電流為5mA，流出的最大電流為10mA，基于這點，產(chǎn)品的設(shè)計者給出了一個近似的估算式：

　　這個式子，不要從量綱上去考慮，僅作為一個經(jīng)驗的估算法。

5、供電電路C5、R6、D8：
　　前已述及，芯片內(nèi)的高壓啟動電流源對電容C5充電，當充電電壓達到電路啟動電壓9V以上時，TEA162x進行工作狀態(tài)。C5的值應小1uF，實際上在所有的應用中都選用470nF。
　　與輔助繞組相連的二極管只需選用普通二極管。與二極管相連的電阻R6，是用來防止瞬時峰值電壓的，其阻值要由實驗確定，開始實驗時可在56~560Ω之間選擇。
　　圖3是用光電藕合器來反饋的典型應用電路。從初級側(cè)來看，其最大的區(qū)別就是在圖3中用光電晶體管來取代圖2中的電阻R8，而圖3的次級則增加了發(fā)光二極管及其采樣、驅(qū)動電路。
　　圖2所示的AC/DC轉(zhuǎn)換器適宜作電壓源，其穩(wěn)壓精度與變壓器各線圈的耦合度有關(guān)，大約在8%以內(nèi)，對于那些對穩(wěn)定度要求不高而對成本要求很高的場合，可選用此方案。
　　如果對穩(wěn)壓精度及其它參數(shù)要求較高的用戶，如穩(wěn)定精度要求達到1%左右的用戶，則應采用圖3所示的方案。

本文后記
　　近期的實踐表明，STARplug已成功地在下列方面得到了應用：適配器產(chǎn)品系列：5V/1A，5V/2A，9V/1A，12V/1A等等，熱工儀表，電力儀表，紅外節(jié)水器具，LED燈驅(qū)動電源，DVD，機頂盒等．