智能功率開(kāi)關(guān)電源IC設(shè)計(jì)

1 引言

開(kāi)關(guān)電源是近幾年電源市場(chǎng)的焦點(diǎn)之一,它最大的優(yōu)點(diǎn)是大幅度縮小變壓器的體積和重量,這樣就縮小了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。一般說(shuō)來(lái),開(kāi)關(guān)電源的重量是線性電源的1/4,相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3。所以開(kāi)關(guān)電源對(duì)低檔的線性電源,尤其是20W以下的線性電源構(gòu)成了威脅,大有取而代之之勢(shì)。但是傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源除了PWM 和功率MOSFET之外還包括50個(gè)左右的分立元件,這不但增加了成本、體積,而且還使可靠性受到了影響。這主要是生產(chǎn)工藝上的原因,開(kāi)關(guān)電源在集成化上一直沒(méi)有突破。

近幾年,隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟,已經(jīng)能將低壓控制單元和高壓大功率管集成到同一塊芯片之中。TI、ON Semiconductor、Power、 Integrations等公司都已經(jīng)有類(lèi)似的產(chǎn)品,而國(guó)內(nèi)則幾乎是一片空白。由于開(kāi)關(guān)電源在體積、重量、效率以及可靠性上的優(yōu)勢(shì),它的研究和發(fā)展速度是驚人的。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①郵電通信：作程控交換機(jī)、移動(dòng)通信基站電源;②計(jì)算機(jī)：作為各種PC機(jī)、服務(wù)器、工業(yè)控制機(jī)的開(kāi)關(guān)電源;③家用電子產(chǎn)品：目前使用開(kāi)關(guān)電源的家用電子產(chǎn)品有電視機(jī)、影碟機(jī)等;④其他行業(yè)：如電力、航天、軍事等領(lǐng)域。

根據(jù)工藝的發(fā)展和市場(chǎng)的需要,將核心部分功率MOSFET和低壓PWM控制器集成在一塊芯片中。同時(shí),還具有過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓鎖定、自動(dòng)重啟動(dòng)、過(guò)流保護(hù)等功能。這種新型的開(kāi)關(guān)電源集成電路給電源系統(tǒng)帶來(lái)了很多優(yōu)勢(shì)。該芯片交流輸入可直接從電網(wǎng)接入,應(yīng)用功耗低,成本低,體積小,同時(shí)還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低了成本,使電子工程師的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。該芯片可用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)單端接地電源系統(tǒng),如接一個(gè)振蕩回掃的二次線圈變壓器后輸出一直流電壓。

2 工作原理

此開(kāi)關(guān)電源為一中頻集成模塊,設(shè)計(jì)頻率為 100kHz,最大占空比為70%,它包括一個(gè)恒頻脈寬調(diào)制器和一個(gè)高集成度電源開(kāi)關(guān)電路,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個(gè)組合開(kāi)關(guān)的高壓側(cè)可對(duì)從85~265V的交流電壓進(jìn)行連續(xù)控制,可以應(yīng)用于多數(shù)常規(guī)電源系統(tǒng)。

通過(guò)一個(gè)光電耦合管,將負(fù)載變化情況反饋到芯片內(nèi)部,反饋信號(hào)在2.7k的電阻上產(chǎn)生電壓降,經(jīng)過(guò)7kHz的低通濾波器,把高頻開(kāi)關(guān)噪音濾掉,以直流電壓形式輸入到PWM模塊進(jìn)行調(diào)節(jié),產(chǎn)生占空比隨反饋信號(hào)變化的脈沖波,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOSFET,從而實(shí)現(xiàn)了PWM的調(diào)節(jié)。除此之外,功率MOSFET的源極接一電阻,來(lái)實(shí)現(xiàn)每周期的限流保護(hù)。

正常情況下,1/8分頻器輸出信號(hào)使得功率 MOSFET導(dǎo)通,若故障發(fā)生,它的輸出信號(hào)使得功率MOSFET關(guān)斷,并且它自身開(kāi)始計(jì)數(shù),第1 個(gè)周期,功率MOSFET導(dǎo)通。若沒(méi)有排除,以此規(guī)律循環(huán)下去;若故障排除,則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。該IC外接變壓器,實(shí)現(xiàn)AC-DC功能后,不同規(guī)格的變壓器可獲得不同的直流電壓。

3 內(nèi)部功能模塊介紹

3.1 振蕩器電路

如圖2所示,該振蕩器利用兩個(gè)比較器輪流導(dǎo)通,對(duì)電容進(jìn)行充放電,獲得了在電壓在2.7~4.1V震蕩的鋸齒波。其設(shè)計(jì)頻率為100kHz,占空比為 70%。對(duì)電容充放電時(shí),利用MOS管飽和區(qū)工作電流恒定的原理,實(shí)現(xiàn)恒流充放電。其等效簡(jiǎn)化電路模型如圖3所示。充電時(shí),開(kāi)關(guān)S合到3端,可得

DQ=DU×C (1)

且DU=4.1-2.7=1.4v (3)

式中,C = 40pF, IP=18.6mA,可以計(jì)算出T P=3ms。 放電時(shí),開(kāi)關(guān)S打到8端,可得

&

nbsp; 式中,IN=8mA,可以計(jì)算出 TN =7ms。

T=Tp+T N=10ms (5)

占空比的設(shè)計(jì)也是需要考慮的,當(dāng)占空比提高后,整個(gè)IC及外接電路構(gòu)成的電源效率都會(huì)提高。

但是又不能無(wú)限的提高,使之接近100%,這主要是變壓器磁通的建立和恢復(fù)是有時(shí)間限制的。同時(shí),長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)通,功率MOSFET容易燒壞。

3.2 偏置電路

該電路采用三管能隙基準(zhǔn)電源,如圖4所示。 T2的發(fā)射極電壓如式(6)所示。由公式可知,利用等效熱電壓 Vt的正溫度系數(shù)和Vbe 的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償,可使輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近為零 (由于T6和T2的Vbe相同,所以輸出電壓 Vref和T2發(fā)射極電壓相同)。

3.3 PWM調(diào)制電路

由光耦管耦合過(guò)來(lái)的反應(yīng)負(fù)載變化情況的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)7kHz的低通濾波器,然后送到PWM比較器和振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。該低通濾波器的頻率響應(yīng)為

可作為設(shè)計(jì)參數(shù)使用。

3.4 過(guò)壓保護(hù),欠壓鎖定電路

設(shè)計(jì)的內(nèi)部電路工作電壓環(huán)境為7.5~8.6V,該電路如圖5所示,由比較器C1,C2和電阻R1 、R2、R3、R 4組成。由于遲滯比較器的作用,當(dāng)Vcc 處于7.5~8.6V時(shí),IC正常運(yùn)行。當(dāng)Vcc >8.6V時(shí),C1輸出高電平,直接使放電NMOS管導(dǎo)通,進(jìn)行放電。該NMOS管設(shè)計(jì)得比較大,這樣可以迅速地放電,使IC及時(shí)地回到安全狀態(tài)。若該 Vcc故障仍然存在,將用八分頻計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)。這個(gè)八分頻計(jì)數(shù)器使得功率MOSFET關(guān)閉,電容將在8個(gè)連續(xù)周期內(nèi)反復(fù)充放電,8個(gè)周期后,若故障排除,整個(gè)IC進(jìn)入正常工作狀態(tài),功率MOSFET開(kāi)通。這種設(shè)計(jì)可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當(dāng)內(nèi)部工作電壓Vcc<7.5V時(shí),C1輸出一低電平,關(guān)閉驅(qū)動(dòng),同時(shí)驅(qū)動(dòng)高壓?jiǎn)?dòng)電路,對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電。同時(shí),該低電平也送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),這樣便實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)功能。一般說(shuō)來(lái)Vcc <7.5V,是由負(fù)載短路或過(guò)載引起電源變壓器的附加線圈輸出電壓失落,沒(méi)有足夠的電壓對(duì)芯片供電所致。

3.5 熱關(guān)斷電路

熱關(guān)斷電路如圖6所示。正常情況下T =25℃,Vz=6.3V,V BE1=0.75V,VBEH=0.65V,此時(shí) VH = R3 ( Vz -VBE1) / (R2+R3)=0.43V< VBEH

故Q1不導(dǎo)通,從而Vout 為高電平。

故障狀態(tài),穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)為正,而晶體管的VBE 為負(fù)溫度系數(shù)。設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)能力(當(dāng)T=150℃)為

同樣計(jì)算可得VH(150℃)=0.46V,這樣Q 2 導(dǎo)通,Vout為低電平。此信號(hào)直接關(guān)斷功率MOSFET。同時(shí)這個(gè)脈沖信號(hào)也輸入到1/8分頻器,做計(jì)數(shù)用。

3.6 高壓?jiǎn)?dòng)電路

高壓?jiǎn)?dòng)電路如圖7所示,當(dāng)IC上電后,整個(gè)IC處于建立工作環(huán)境的狀態(tài)。VDMOS的柵極為高電平,則該管導(dǎo)通,Out端有充電電流。當(dāng) Vcc達(dá)到8.6V時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路送來(lái)信號(hào) Vstart為一低電平,使得P2導(dǎo)通,這樣VDMOS截止。另外 R1的作用是充電電流過(guò)大時(shí),使P1、Q1導(dǎo)通,使

VDMOS截止,起到保護(hù)作用。此充電電流能力設(shè)計(jì)值為3mA,超過(guò)該值,VDMOS就會(huì)截至。根據(jù)計(jì)算,整個(gè)IC建立工作環(huán)境所需的時(shí)間為40ms,與實(shí)際仿真結(jié)果相符。

3.7 驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的目的是為了去除驅(qū)動(dòng)信號(hào)的毛刺和對(duì)功率MOSFET的柵極起保護(hù)作用(圖8)。正常時(shí),N1、N2、N3都處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路內(nèi)部電源電壓Vcc由低電平突然變?yōu)楦唠娖綍r(shí),電容C兩端電壓不能突變,這樣N1導(dǎo)通,使輸出為0。另外當(dāng)IC突然上電時(shí),由于功率MOSFET的柵漏電容的存在,使柵極的電壓為高電平,但是由于設(shè)計(jì)中加了電阻 R和N3的存在,對(duì)柵極構(gòu)成旁路,起到保護(hù)作用。最后就是如果IC突然斷電時(shí),則功率管漏極沒(méi)有大電流供給。如果此時(shí)驅(qū)動(dòng)為高電平,則可以從 R上卸流,最終使低電平變低。總之,N1、N2、N3對(duì)功率MOSFET 的柵極起保護(hù)作用。

3.8 前沿消隱電路

前沿消隱電路如圖9所示。正常時(shí),A點(diǎn)電壓較低,2管導(dǎo)通,則C2輸出為高電平;故障時(shí),也就是功率MOSFET的電流過(guò)大時(shí),A點(diǎn)電位升高,使得2管關(guān)閉,這樣C2輸出為低電平,出現(xiàn)故障脈沖。值得一提的是,2管的柵極輸入信號(hào)和它的源極輸入信號(hào)不是同步的,這樣設(shè)計(jì)的好處是可以避免短暫時(shí)間內(nèi)電流過(guò)大的情況。若電流一直很大,則可以發(fā)揮前沿消隱作用。這兩個(gè)信號(hào)的延時(shí)大小由幾級(jí)反相器和電容構(gòu)成,其中以電容的貢獻(xiàn)最大,其設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間為200ns。

4 仿真結(jié)果

仿真過(guò)程中,著重對(duì)正常運(yùn)行、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等情況做了分析。圖10中模擬了負(fù)載變化時(shí)功率MOSFET輸出的變化情況。最下面一條波形為負(fù)載情況經(jīng)過(guò)光耦合和低通濾波器后的電壓,中間一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào),最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。可以看出,由于充電,Vcc不斷增加達(dá)到8.6V時(shí)便不再增加(過(guò)壓保護(hù)電路起作用),IC開(kāi)始工作。當(dāng)負(fù)載逐漸變小時(shí),引起反饋電壓升高,使得反饋到IC的信號(hào)增大,其功率MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)電壓的占空比減少,最終為0。

圖11中模擬了IC內(nèi)部電壓發(fā)生異常時(shí)的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓,中間一條波形為自動(dòng)重啟動(dòng)電路的工作信號(hào)(Vstart),最上面一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào)?？梢钥闯?當(dāng)Vcc 上升到8.5V時(shí),自動(dòng)重啟動(dòng)電路關(guān)閉,同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),這時(shí)功率MOSFET 還處于工作狀態(tài)。當(dāng)Vcc 降低到7.5V時(shí),自動(dòng)重啟動(dòng)電路開(kāi)始工作,對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電。這樣反復(fù)進(jìn)行8次,在第九個(gè)周期時(shí),功率MOSFET再次工作,符合最初的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于便攜式設(shè)備的功率開(kāi)關(guān)電源的IC,通過(guò)對(duì)其功能及特性的分析,設(shè)計(jì)了各個(gè)子模塊的電路,并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明,負(fù)荷調(diào)節(jié)靈敏、精確,各種保護(hù)電路動(dòng)作及時(shí)可靠。