教大家如何制作智能功率开关电源IC

1 引言

开关电源是近几年电源市场的焦点之一,它最大的优点是大幅度缩小变压器的体积和重量,这样就缩小了整个系统的体积和重量。一般说来,开关电源的重量是线性电源的1/4,相应的体积大概是线性电源的1/3。所以开关电源对低档的线性电源,尤其是20W以下的线性电源构成了威胁,大有取而代之之势。但是传统的开关电源除了PWM 和功率MOSFET之外还包括50个左右的分立元件,这不但增加了成本、体积,而且还使可靠性受到了影响。这主要是生产工艺上的原因,开关电源在集成化上一直没有突破。

近几年,随着生产工艺技术的成熟,已经能将低压控制单元和高压大功率管集成到同一块芯片之中。TI、ON Semiconductor、Power、 Integrations等公司都已经有类似的产品,而国内则几乎是一片空白。由于开关电源在体积、重量、效率以及可靠性上的优势,它的研究和发展速度是惊人的。其主要应用领域有:①邮电通信:作程控交换机、移动通信基站电源;②计算机:作为各种PC机、服务器、工业控制机的开关电源;③家用电子产品:目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等;④其他行业:如电力、航天、军事等领域。

根据工艺的发展和市场的需要,将核心部分功率MOSFET和低压PWM控制器集成在一块芯片中。同时,还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启动、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。该芯片交流输入可直接从电网接入,应用功耗低,成本低,体积小,同时还提高了系统的稳定性,降低了成本,使电子工程师的设计更加简单。该芯片可用于驱动一个单端接地电源系统,如接一个振荡回扫的二次线圈变压器后输出一直流电压。

2 工作原理

此开关电源为一中频集成模块,设计频率为 100kHz,最大占空比为70%,它包括一个恒频脉宽调制器和一个高集成度电源开关电路,其结构如图1所示。这个组合开关的高压侧可对从85~265V的交流电压进行连续控制,可以应用于多数常规电源系统。

图1  IC原理图

通过一个光电耦合管,将负载变化情况反馈到芯片内部,反馈信号在2.7k的电阻上产生电压降,经过7kHz的低通滤波器,把高频开关噪音滤掉,以直流电压形式输入到PWM模块进行调节,产生占空比随反馈信号变化的脉冲波,通过驱动电路驱动功率MOSFET,从而实现了PWM的调节。除此之外,功率MOSFET的源极接一电阻,来实现每周期的限流保护。

正常情况下,1/8分频器输出信号使得功率 MOSFET导通,若故障发生,它的输出信号使得功率MOSFET关断,并且它自身开始计数,第1 个周期,功率MOSFET导通。若没有排除,以此规律循环下去;若故障排除,则进入正常工作状态。该IC外接变压器,实现AC-DC功能后,不同规格的变压器可获得不同的直流电压。

3 内部功能模块介绍

3.1 振荡器电路

如图2所示,该振荡器利用两个比较器轮流导通,对电容进行充放电,获得了在电压在2.7~4.1V震荡的锯齿波。其设计频率为100kHz,占空比为 70%。对电容充放电时,利用MOS管饱和区工作电流恒定的原理,实现恒流充放电。其等效简化电路模型如图3所示。充电时,开关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,可以计算出T P=3ms。 放电时,开关S打到8端,可得

式中,IN=8mA,可以计算出 TN =7ms。

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

占空比的设计也是需要考虑的,当占空比提高后,整个IC及外接电路构成的电源效率都会提高。

图2振荡器电路 和 图3  振荡器简化模型

但是又不能无限的提高,使之接近100%,这主要是变压器磁通的建立和恢复是有时间限制的。同时,长时间的导通,功率MOSFET容易烧坏。

3.2 偏置电路

该电路采用三管能隙基准电源,如图4所示。 T2的发射极电压如式(6)所示。由公式可知,利用等效热电压 Vt的正温度系数和Vbe 的负温度系数相互补偿,可使输出基准电压的温度系数接近为零

(由于T6和T2的Vbe相同,所以输出电压 Vref和T2发射极电压相同)。

图4  偏置电路

3.3 PWM调制电路

由光耦管耦合过来的反应负载变化情况的信号首先经过一个7kHz的低通滤波器,然后送到PWM比较器和振荡器产生的锯齿波进行比较,从而实现脉宽调制。该低通滤波器的频率响应为

可作为设计参数使用。

3.4 过压保护,欠压锁定电路

设计的内部电路工作电压环境为7.5~8.6V,该电路如图5所示,由比较器C1,C2和电阻R1 、R2、R3、R 4组成。由于迟滞比较器的作用,当Vcc 处于7.5~8.6V时,IC正常运行。当Vcc >8.6V时,C1输出高电平,直接使放电NMOS管导通,进行放电。该NMOS管设计得比较大,这样可以迅速地放电,使IC及时地回到安全状态。若该 Vcc故障仍然存在,将用八分频计数器来计数。这个八分频计数器使得功率MOSFET关闭,电容将在8个连续周期内反复充放电,8个周期后,若故障排除,整个IC进入正常工作状态,功率MOSFET开通。这种设计可大大减少功率MOSFET的耗散功率。当内部工作电压Vcc<7.5V时,C1输出一低电平,关闭驱动,同时驱动高压启动电路,对外接10μF电容进行充电。同时,该低电平也送入计数器计数,这样便实现了自启动功能。一般说来Vcc <7.5V,是由负载短路或过载引起电源变压器的附加线圈输出电压失落,没有足够的电压对芯片供电所致。

图5  过压保护、欠压锁定电路

3.5 热关断电路

热关断电路如图6所示。正常情况下T =25℃,Vz=6.3V,V BE1=0.75V

VBEH=0.65V,此时

VH = R3 ( Vz -VBE1) / (R2+R3)=0.43V<

VBEH

图6  热关断电路

故Q1不导通,从而Vout 为高电平。

故障状态,稳压管的温度系数为正,而晶体管的VBE 为负温度系数。设计

温度保护能力(当T=150℃)为

同样计算可得VH(150℃)=0.46V,这样Q 2 导通,Vout为低电平。此信号直接关断功率MOSFET。同时这个脉冲信号也输入到1/8分频器,做计数用。

3.6 高压启动电路

高压启动电路如图7所示,当IC上电后,整个IC处于建立工作环境的状态。VDMOS的栅极为高电平,则该管导通,Out端有充电电流。当 Vcc达到8.6V时,过压保护电路送来信号 Vstart为一低电平,使得P2导通,这样VDMOS截止。另外 R1的作用是充电电流过大时,使P1、Q1导通,使 VDMOS截止,起到保护作用。此充电电流能力设计值为3mA,超过该值,VDMOS就会截至。根据计算,整个IC建立工作环境所需的时间为40ms,与实际仿真结果相符。

图7  高压启动电路

3.7 驱动电路

设计驱动电路的目的是为了去除驱动信号的毛刺和对功率MOSFET的栅极起保护作用(图8)。正常时,N1、N2、N3都处于截止状态。当电路内部电源电压Vcc由低电平突然变为高电平时,电容C两端电压不能突变,这样N1导通,使输出为0。另外当IC突然上电时,由于功率MOSFET的栅漏电容的存在,使栅极的电压为高电平,但是由于设计中加了电阻 R和N3的存在,对栅极构成旁路,起到保护作用。最后就是如果IC突然断电时,则功率管漏极没有大电流供给。如果此时驱动为高电平,则可以从 R上卸流,最终使低电平变低。总之,N1、N2、N3对功率MOSFET 的栅极起保护作用。

图8  驱动电路

3.8 前沿消隐电路

前沿消隐电路如图9所示。正常时,A点电压较低,2管导通,则C2输出为高电平;故障时,也就是功率MOSFET的电流过大时,A点电位升高,使得2管关闭,这样C2输出为低电平,出现故障脉冲。值得一提的是,2管的栅极输入信号和它的源极输入信号不是同步的,这样设计的好处是可以避免短暂时间内电流过大的情况。若电流一直很大,则可以发挥前沿消隐作用。这两个信号的延时大小由几级反相器和电容构成,其中以电容的贡献最大,其设计延时时间为200ns。

图9  前沿消隐电路

4 仿真结果

仿真过程中,着重对正常运行、过压、欠压、过流、过载等情况做了分析。图10中模拟了负载变化时功率MOSFET输出的变化情况。最下面一条波形为负载情况经过光耦合和低通滤波器后的电压,中间一条波形为IC内部电压 Vcc信号,最上面一条波形为功率MOSFET栅极上的驱动电压信号。可以看出,由于充电,Vcc不断增加达到8.6V时便不再增加(过压保护电路起作用),IC开始工作。当负载逐渐变小时,引起反馈电压升高,使得反馈到IC的信号增大,其功率MOSFET栅极的驱动电压的占空比减少,最终为0。

图10  PWM调节仿真

图11中模拟了IC内部电压发生异常时的情况。最下面一条波形为功率MOSFET的栅极驱动电压,中间一条波形为自动重启动电路的工作信号(Vstart),最上面一条波形为IC内部电压 Vcc信号。可以看出,当Vcc 上升到8.5V时,自动重启动电路关闭,同时计数器开始计数,这时功率MOSFET 还处于工作状态。当Vcc 降低到7.5V时,自动重启动电路开始工作,对外接10μF电容进行充电。这样反复进行8次,在第九个周期时,功率MOSFET再次工作,符合最初的设计要求。

图11  过压、欠压保护仿真

5 结论

本文设计了一种适用于便携式设备的功率开关电源的IC,通过对其功能及特性的分析,设计了各个子模块的电路,并对其进行了模拟仿真。结果表明,负荷调节灵敏、精确,各种保护电路动作及时可靠。

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