提高電源模組可靠度　低功率返馳式PWM IC建功

返馳式(Flyback)架構(gòu)的電源轉(zhuǎn)換器基于線路簡(jiǎn)單、零件少等優(yōu)點(diǎn)，在小瓦特(W)數(shù)的電源轉(zhuǎn)換器上廣泛被采用，尤其是低功率交流對(duì)直流(AC-DC)返馳式脈沖寬度調(diào)變(PWM)IC更具應(yīng)用前景。
成本考量擺第一　六接腳PWM IC封裝成主流

圖1所示為典型返馳式PWM IC的應(yīng)用線路，其中，圖1a是使用高壓?jiǎn)?dòng)的PWM IC；圖1b則是使用低壓?jiǎn)?dòng)的PWM IC?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖1 典型返馳式PWM IC應(yīng)用線路示意圖

兩者主要差異為高壓?jiǎn)?dòng)的PWM IC將整流過(guò)后的直流高壓接至HV接腳，再藉由HV接腳以定電流的方式對(duì)Vcc接腳上的電容充電，直到IC啟動(dòng)為止?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
而低壓?jiǎn)?dòng)PWM IC則從交流輸入(AC Line)端透過(guò)啟動(dòng)電阻對(duì)Vcc接腳上的電容充電讓IC工作。以圖1b為例，線路上主要可區(qū)分為幾個(gè)部分，一是由開(kāi)關(guān)晶體、變壓器和整流二極體組成返馳式架構(gòu)，另外由TL431和光耦合器組成二次側(cè)電壓回授，最后是由PWM IC及周邊零件構(gòu)成的控制部分?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
值得一提的是，在5～70瓦(W)的應(yīng)用中，返馳式PWM IC目前常用的封裝有八接腳的SOP8與DIP8，以及六接腳的SOT26。以通嘉科技產(chǎn)品為例，如圖2所示是典型八接腳反馳式PWM IC的腳位圖，其主要以高壓?jiǎn)?dòng)為主，接腳功能包括HV接腳接至AC整流后端，提供IC開(kāi)機(jī)前的啟動(dòng)電流，在IC工作后，即停止啟動(dòng)電流的輸出；NC接腳則無(wú)作用，主要是增加HV接腳與其他低壓接腳的安全距離?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖2 SOP8/DIP8 PWM IC接腳說(shuō)明圖

此外，Vcc接腳提供IC的工作電源，在啟動(dòng)前由HV接腳提供啟動(dòng)電流，當(dāng)啟動(dòng)后改由變壓器的輔助繞圈提供；OUT接腳為輸出驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電晶體的PWM波形；CS接腳負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)晶體的電流偵側(cè)；補(bǔ)償接腳(COMP)做回授補(bǔ)償用；GND接腳做為IC的地?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
其中第一支接腳提供可選擇性的特別功能，它的特別功能大致上有下列幾種：RT提供可調(diào)整的工作頻率；CT提供可調(diào)整的過(guò)負(fù)載保護(hù)延遲(OLP Delay)時(shí)間；BNO提供可調(diào)整的開(kāi)關(guān)機(jī)電壓；Latch用來(lái)做外部過(guò)溫保護(hù)(OTP)或其他保護(hù)功能?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
另一方面，圖3是典型六接腳返馳式PWM IC的腳位圖，它與八接腳封裝最主要的差異是在HV接腳與NC接腳，其他功能腳位則與八接腳包裝的幾乎相同。由于各家廠商都不斷的在做降低成本(Cost Down)的動(dòng)作，SOT26的封裝價(jià)格比SOP8低大約三到五成，使得SOT26包裝的PWM IC有逐漸成為市場(chǎng)主流的趨勢(shì)。目前各家IC設(shè)計(jì)公司都致力開(kāi)發(fā)功能更強(qiáng)且價(jià)格便宜的新產(chǎn)品，讓電源設(shè)計(jì)工程師們可以更容易又快速設(shè)計(jì)出符合規(guī)格的產(chǎn)品?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖3 SOT26 PWM IC接腳說(shuō)明圖

低壓?jiǎn)?dòng)優(yōu)勢(shì)顯　六接腳封裝效益多

以六接腳SOT26封裝PWM IC而言，未來(lái)應(yīng)用發(fā)展前景一片光明，包括可應(yīng)用于極低的Vcc啟動(dòng)電流(Startup Current)與工作電流，如圖4所示是一般低壓?jiǎn)?dòng)的線路，在Vcc接腳電壓低于IC啟動(dòng)電壓觸發(fā)點(diǎn)(UVLO_on)時(shí)，IC本身就會(huì)有內(nèi)部邏輯消耗的電流，一般在IC規(guī)格上稱為啟動(dòng)電流。而啟動(dòng)時(shí)間大約可以用下式計(jì)算得知。　

圖4 低電壓PWM IC啟動(dòng)線路示意圖





…(公式1)


其中，VUVLO(on)為Vcc的啟動(dòng)電壓觸發(fā)點(diǎn)；Vac為輸入的交流電壓；Istartup系IC Vcc的啟動(dòng)電流。而Cvcc則是Vcc接腳上的電容器容量；Rstart為啟動(dòng)電阻?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
由于低壓?jiǎn)?dòng)IC的啟動(dòng)電流對(duì)開(kāi)機(jī)的時(shí)間影響很大，從公式1可得知在使用相同的啟動(dòng)電阻與Vcc電容器的前提下，當(dāng)啟動(dòng)電流越小時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間也會(huì)較??；換句話說(shuō)，若啟動(dòng)時(shí)間要求相同時(shí)，較小的啟動(dòng)電流則可使用更大的啟動(dòng)電阻，而較大的啟動(dòng)電阻其功率損耗也較小，可獲得更低的無(wú)載或是輕載輸入功率?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
除啟動(dòng)電流外，IC的工作電流也對(duì)輕載與無(wú)載時(shí)的效率影響很大，目前很多規(guī)格都有待機(jī)功耗的要求，所以省電IC是必要的，但I(xiàn)C要達(dá)到小的電流損耗則帶來(lái)設(shè)計(jì)的考驗(yàn)。以通嘉科技新一代的PWM IC來(lái)說(shuō)，都具有極小的啟動(dòng)電流與工作電流，在啟動(dòng)時(shí)間與無(wú)載/輕載效率表現(xiàn)優(yōu)異?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
與此同時(shí)，由于SOT26的封裝只有六個(gè)腳位，除一般常用的固定腳位外，若想要增加其他的功能，已無(wú)其他腳位可以使用。此時(shí)若想要使IC有更多功能，則可利用一個(gè)腳位兼納多功能的方式完成，以增加整個(gè)IC功能?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
目前通嘉已有開(kāi)發(fā)類似的IC，例如CS接腳與補(bǔ)償接腳功能共用腳位，如此即可省下一個(gè)空腳位做其他應(yīng)用；另外在功能腳位上與過(guò)溫保護(hù)功能共用同一腳位，形成所謂的復(fù)合功能腳位，可達(dá)到六接腳 IC同時(shí)具有此兩大功能的效果。

精簡(jiǎn)線路復(fù)雜度/成本　PWM IC導(dǎo)入OCP/OVP　　

至于電源供應(yīng)器為預(yù)防在不正常工作下過(guò)熱，通常會(huì)規(guī)定要有過(guò)電流保護(hù)(OCP)的規(guī)格。如圖5所示，該功能通常在二次側(cè)上增加過(guò)電流保護(hù)線路，不過(guò)這樣會(huì)增加成本及線路復(fù)雜度?，F(xiàn)在大家逐漸偏向采用PWM IC本身的過(guò)電流保護(hù)來(lái)完成這項(xiàng)規(guī)格要求(公式2)?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖5 二次側(cè)外加過(guò)電流保護(hù)線路示意圖



……………公式2


其中，Lp代表變壓器感值；Vcs_off為電流偵側(cè)電壓點(diǎn)；Rsense系電流偵側(cè)電阻；Fsw則是工作頻率。由公式2可發(fā)現(xiàn)，對(duì)IC而言，影響過(guò)電流保護(hù)的主要參數(shù)是工作頻率和電流偵側(cè)電壓，故若提升這兩個(gè)參數(shù)的精準(zhǔn)度，相對(duì)也可縮小系統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)的誤差?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
不過(guò)在IC設(shè)計(jì)而言，若要提升精準(zhǔn)度，大都使用微調(diào)(Trim)的方法，勢(shì)必也會(huì)增加IC電路的復(fù)雜度與成本。另由于現(xiàn)在電源皆須使用在全范圍(Full Range)電壓輸入的操作，此時(shí)IC內(nèi)部過(guò)電流補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度也會(huì)影響到過(guò)電流保護(hù)點(diǎn)的分布。值得慶幸的是，新一代PWM IC過(guò)電流保護(hù)已可達(dá)到在120～150%范圍內(nèi)，符合市場(chǎng)需求?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
另一方面，一般傳統(tǒng)電源若須做到較精準(zhǔn)的過(guò)電壓保護(hù)(OVP)，如圖6所示，須在二次側(cè)增加過(guò)電壓保護(hù)的線路。通常在做過(guò)電壓保護(hù)測(cè)試時(shí)，常見(jiàn)做法是將回授的光耦合器二次側(cè)端短路，此時(shí)若將二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)的線路控制接至此處，會(huì)造成過(guò)電壓保護(hù)失效的情形。所以，通常使用二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)線路時(shí)會(huì)增加另一個(gè)光耦合器去做過(guò)電壓保護(hù)控制。同樣的，該做法也會(huì)增加線路的復(fù)雜度與成本?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖6 二次側(cè)外加過(guò)電壓保護(hù)線路示意圖

此外，有時(shí)也會(huì)利用IC Vcc接腳上的過(guò)電壓保護(hù)功能達(dá)成電源供應(yīng)器保護(hù)動(dòng)作，如圖7所示，該方案主要是利用輔助繞組整流后，供給Vcc的電壓去做過(guò)電壓保護(hù)，但此種做法在輸出輕載與重載時(shí)，過(guò)電壓的保護(hù)點(diǎn)會(huì)有差異。特別是在輕載時(shí)的OVP電壓會(huì)比在重載時(shí)高出許多，還有一個(gè)問(wèn)題則是變壓器與輔助繞組的整流二極體的參數(shù)特性皆會(huì)影響到過(guò)電壓保護(hù)的電壓點(diǎn)，使用時(shí)須注意?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖7 利用IC Vcc做過(guò)電壓保護(hù)

因此，要靠PWM IC來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)輸出過(guò)電壓保護(hù)功能，來(lái)簡(jiǎn)化電源電路的設(shè)計(jì)，已有廠商提出相關(guān)專利，并應(yīng)用在新產(chǎn)品當(dāng)中，強(qiáng)化新一代PWM IC的競(jìng)爭(zhēng)力。顯而易見(jiàn)，新一代的PWM IC除了節(jié)能以外，也須提升其他的相關(guān)功能表現(xiàn)，如過(guò)電壓保護(hù)及過(guò)電流保護(hù)等?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
優(yōu)化PSR線路布局　減少設(shè)計(jì)占位空間

若針對(duì)市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，現(xiàn)在有很多小型充電器(Charger)或發(fā)光二極體(LED)照明產(chǎn)品，由于空間上的限制，常會(huì)使用一次側(cè)電壓回授穩(wěn)壓技術(shù)，如圖8所示為通嘉LD7511一次側(cè)電壓回授穩(wěn)壓線路圖，該架構(gòu)最主要的好處是可以省掉光耦合器與二次側(cè)TL431的相關(guān)元件，大幅簡(jiǎn)化整個(gè)電源線路，藉以節(jié)省設(shè)計(jì)空間及成本?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖8 一次側(cè)回授線路示意圖

不過(guò)使用一次側(cè)電壓回授穩(wěn)壓還是存在著一些問(wèn)題，像是不同變壓器的誤差或是不同二次側(cè)整流二極體的特性，還有開(kāi)關(guān)造成的電壓突波等，都會(huì)影響到電壓調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度。其次它的暫態(tài)響應(yīng)也比傳統(tǒng)二次側(cè)電壓回授來(lái)得差，也是須加強(qiáng)改進(jìn)的缺點(diǎn)?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
滿足最大負(fù)載/ESD需求　PWM IC設(shè)計(jì)小心翼翼　

另外，新一代的PWM IC也須關(guān)注瞬間最大負(fù)載(Peak Load)的需求，舉例來(lái)說(shuō)，早期印表機(jī)電源皆有瞬間最大負(fù)載的規(guī)格，且可能是額定負(fù)載(Rated Load)的二倍甚至三倍，時(shí)間可能從幾十毫秒(ms)至幾百毫秒不等。隨著筆記型電腦快速的發(fā)展，近來(lái)筆電變壓器(Adaptor)也開(kāi)始有最大負(fù)載的需求，因此，在PWM IC設(shè)計(jì)方面，目前常見(jiàn)的解決方案有瞬間最大負(fù)載及兩段式過(guò)電流保護(hù)兩種方式?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
前者顧名思義是在瞬間最大負(fù)載抽載時(shí)，將其切換頻率提升至正常工作頻率的二倍或三倍，優(yōu)點(diǎn)在于瞬間最大負(fù)載將工作頻率提高時(shí)，可降低變壓器一次側(cè)的最大電流峰值(Peak Current)，相對(duì)也降低磁通密度，使變壓器更不易在最大負(fù)載時(shí)產(chǎn)生飽和，如此一來(lái)，即可維持原先使用的變壓器，而達(dá)到更高瞬間功率的輸出，且變壓器不必使用最大的瞬間功率來(lái)設(shè)計(jì)?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖9是補(bǔ)償接腳電壓與工作頻率的曲線圖，當(dāng)補(bǔ)償接腳電壓大于正常負(fù)載的電壓時(shí)，除過(guò)負(fù)載保護(hù)計(jì)時(shí)器(Timer)會(huì)開(kāi)始計(jì)數(shù)外，工作頻率也會(huì)隨著補(bǔ)償接腳的電壓變高而變高。因此，須搭載具最大負(fù)載升頻功能的IC，以在不大幅變更設(shè)計(jì)的情況下，達(dá)到最大負(fù)載的要求?！?br style="padding: 0px; margin: 0px; color: rgb(69, 69, 69); line-height: 28px; ">
圖9 Comp接腳電壓與工作頻率曲線關(guān)系圖

緊接著，兩段式過(guò)電流保護(hù)是在CS接腳上使用兩個(gè)比較器(Comparator)去偵側(cè)過(guò)電流，如圖10所示，第一個(gè)過(guò)電流保護(hù)的比較器用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)過(guò)電流保護(hù)值；第二個(gè)過(guò)電流保護(hù)的比較器是最大電流峰值的保護(hù)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)比較器觸發(fā)時(shí)，OLP delay1的時(shí)間會(huì)開(kāi)始計(jì)數(shù)，以達(dá)