滿足安全環(huán)保需求的小功率集成的AC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：AC/DC轉(zhuǎn)換器  光電耦合器

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、電路設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供了一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)平臺，從而有許許多多新穎的、時(shí)尚的便攜式電子產(chǎn)品呈現(xiàn)在世人面前，像PDA、3G手機(jī)、各種個(gè)人電子醫(yī)療保健裝置以及層出不窮的游戲機(jī)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(jìn)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(gè)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(jìn)，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(dòng)電流源上，TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值)，TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。

注：表1只列出雙列直插式封裝，表貼的未列出。

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(gè)芯片上，而功率部分則用EZ-HV工藝做在另一個(gè)芯片上，然后在同一個(gè)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(jìn)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(diǎn)：

1. 可免除鎖定效應(yīng)(鎖定效應(yīng)是CMOS電路特有的一種失效模式);

2. 可以方便地在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)模擬，數(shù)字和功率電路的集成;

3. 芯片面積也比標(biāo)準(zhǔn)的PN結(jié)隔離要小;

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?dāng)_和EMC的概率很小;

6. 抵御外部電火花及反極性的能力強(qiáng)。

這些都有利于支撐STARplug的高性能和高可靠性。

從電路設(shè)計(jì)上看，一個(gè)重要的特點(diǎn)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(shí)的功耗，即VDS為高電平的功耗：這個(gè)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(dǎo)通時(shí)的功耗，即VDS為低電平時(shí)的功耗，這個(gè)功耗主要決定于漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻RDS(on)。這與芯片設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)有關(guān)。

3. MOS管動(dòng)態(tài)功耗，即MOS管由截止向?qū)ㄞD(zhuǎn)換，或由導(dǎo)通向截止轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗。這個(gè)功耗可用下式計(jì)算：

飛利浦的電路設(shè)計(jì)師，分析了上述公式，認(rèn)識到要降低開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)功耗，只能由降低轉(zhuǎn)換時(shí)的VDS和負(fù)載下降時(shí)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(shí)，使MOS管由截止進(jìn)入導(dǎo)通，則MOS管的動(dòng)態(tài)功耗將下降幾個(gè)數(shù)量級。為此，在電路設(shè)計(jì)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(jìn)入“谷底”之時(shí)，在柵極G和源極S之間輸入經(jīng)PWM后的脈沖上升沿。

上個(gè)世紀(jì)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(jī)功率，STARplug采取了可調(diào)變頻率的靈活電路設(shè)計(jì)。用戶設(shè)定的頻率為滿載時(shí)的工作頻率。當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，工作頻率也相應(yīng)下降。從而保證了待機(jī)功耗低于100mW。

此外，STARplug系列芯片用高壓電流源來啟動(dòng)，一旦IC進(jìn)入正常工作狀態(tài)，則高壓電流源將自動(dòng)切斷，從而減少了電路的功耗。由此可知，電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過程。都貫徹了一條減少功耗的思想，正是因?yàn)楣β蔒OS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涂刂齐娐芳稍谝粋€(gè)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(hù)功能，包括了逐個(gè)周期過流保護(hù)、欠壓鎖定、過壓保護(hù)、過溫保護(hù)、繞組短路保護(hù)、退磁保護(hù)。

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(shí)現(xiàn)功率的傳輸和轉(zhuǎn)換。而控制電路則肩負(fù)三大任務(wù)：

1. 實(shí)現(xiàn)所有保護(hù)功能的快速反應(yīng)。

2. 谷值電平的準(zhǔn)確檢測。

3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

圖1：STARplug內(nèi)部電路框圖

STARplug是基于不連續(xù)方式(DCM)反激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)的。有兩種反饋方式：

1.變壓器輔助繞組反饋，(此繞組同時(shí)用作IC的供電)(見圖2)。

2.變壓器次級繞組經(jīng)光耦反饋(見圖3)

2. STARplug工作原理(見圖1、圖2)。

交流電源經(jīng)整流濾波后輸出Vdc，經(jīng)變壓器初級加到TEA162X的DRAIN端(第8腳，略稱Dr端)，經(jīng)芯片內(nèi)部的高壓電流源(圖1)，通過Vcc端(第1腳)向電容器C5充電，當(dāng)C5充電電壓Vc5達(dá)到并超過VCC啟動(dòng)電壓的下限9V時(shí)，TEA162X開始工作。

作為TEA162X的第一項(xiàng)工作就是加電清零(見圖1)，使片中邏輯電路處于初始狀態(tài)，MOS功率管處于低電平。變壓器初級電感有電流通過，并逐步加大。與此同時(shí)，接在RC腳上的電阻R和電容C使振蕩器產(chǎn)生振蕩。經(jīng)PWM的比較器和驅(qū)動(dòng)器使MOS功率管由低電平轉(zhuǎn)換到高電平。這時(shí)儲存在初級電感和磁芯氣隙中的能量立即傳送到變壓器的次級和輔助繞組。輔助繞組感應(yīng)的交變電壓經(jīng)整流后加到VCC端，當(dāng)此電壓達(dá)到VCC啟動(dòng)電壓后，則由高壓電流源送來的電流將其中斷，由Vaux取代，使TEA162X繼續(xù)工作。一旦Vaux下降到Vcc啟動(dòng)電平之下，或進(jìn)入停止電平時(shí)，則TEA162X停止轉(zhuǎn)換，并重新由整流后的電網(wǎng)電壓Vdc啟動(dòng)。

STARplug是電壓控制型的PWM電路，通過調(diào)制芯片內(nèi)部功率MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，來控制通過變壓器初級峰值電流，從而使輸出電壓穩(wěn)定。

為了說明STARplug穩(wěn)壓機(jī)理，將TEA162X系列實(shí)用電路中的有關(guān)部份描述成圖4、5。由圖不難看出，PWM比較器的兩個(gè)輸入，一個(gè)是RC端(第3腳)并接的電阻Ross和電容Cosc，用來設(shè)定電路的開關(guān)頻率。另一個(gè)是Reg端(第4腳)連接的外部電壓，反映的是輸出負(fù)載的變化。加在Reg端的電壓與芯片內(nèi)部電壓源(2.5V)之差,再乘以10倍,即為加到PWM端上的信號電壓Vreg-intern。Vreg-intern與VRC在PWM比較器上進(jìn)行比較，如果VRC比Vreg-intern低，則PWM輸出為“1”電平，功率MOS管截止。如果Vreg-intern越高，則MOS管導(dǎo)通時(shí)間越短，MOS管轉(zhuǎn)換的功率越小。反之，如果Vreg-intern越低，則MOS管導(dǎo)通時(shí)間越長，轉(zhuǎn)換的功率越大。(見圖5)

3. 電路保護(hù)功能

為闡明電路的保護(hù)功能，我們將芯片內(nèi)外有關(guān)部分單獨(dú)畫成圖6。Source是STARplug的第6條引腳，外接一電阻Rsrc到地，其阻值則根據(jù)過流保護(hù)的閾值來定。

圖6：STARplug保護(hù)電路圖

由圖6顯而易見功率MOS管導(dǎo)通時(shí)流過的電流經(jīng)電阻Rsrc轉(zhuǎn)換成電壓，加到芯片內(nèi)部的兩個(gè)比較器的同相輸入端，使STARplug分別實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和輸出短路保護(hù)。

過流保護(hù)

當(dāng)負(fù)載加大或其他原因使Source腿上單個(gè)周期測出的瞬時(shí)電壓大于芯片內(nèi)部的電壓源0.5V時(shí)。則比較器的輸出將使功率MOS管關(guān)斷，從而切斷了大電流的運(yùn)作，對功率MOS管起到了保護(hù)作用。

為了防止檢測出虛假的過流信號，對比較器加上了一個(gè)禁止端。當(dāng)過流信號超過350ns時(shí)，比較器才動(dòng)作。

輸出短路保護(hù)

由于某種原因，使輸出短路或繞組短路，引起Source腿上的電壓快速上升，以至超過0.75V，則另一個(gè)比較器將使轉(zhuǎn)換停止，MOS管關(guān)斷，阻止電流繼續(xù)加大。同樣該比較器也采取了相同的防止虛假信號的措施。

STARplug還提供精確的過溫保護(hù)。當(dāng)結(jié)溫超過熱關(guān)斷溫度(典型值為160℃)時(shí)，電路將停止工作，供電電流降到啟動(dòng)電流之下。一旦結(jié)溫降到關(guān)斷值之下時(shí)，電路將會恢復(fù)工作。

退磁檢測

STARplug始終是工作在不連續(xù)導(dǎo)通方式(DCM)。

由圖7可見，變壓器的輔助繞組通過一個(gè)電阻接到電路的Aux腿，芯片內(nèi)部有兩個(gè)反向并連的二極管，對輸入電壓進(jìn)行箝位。只要次級二極管是導(dǎo)通的，則輔助繞組的電壓就是正的，就有電流注入Aux端，并被二極管箝位。只要Aux端的電壓大于100mV，則振蕩器停止工作，MOS管就不能開關(guān)。

在消磁時(shí)間tsuppr(典型為15us)內(nèi)，確認(rèn)剩磁已消除。這個(gè)功能對于輸出電壓較低，以及變壓器漏感較大的場合特別有用。

圖7：STARplug退磁檢測

過壓保護(hù)

在芯片的框圖中，雖然沒有為過壓保護(hù)設(shè)計(jì)專門的通道，但這個(gè)功能是存在的。在實(shí)際應(yīng)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(dāng)過壓消除，REG端電壓恢復(fù)到正常值，功率MOS管才能正常開關(guān)。

STARplug的應(yīng)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(yīng)用電路。

圖2是最簡單最基本的應(yīng)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(fù)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(gè)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(jì)算元件值：

振蕩器的充電時(shí)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(shí)亦不宜將電容選得太大，例如200kHZ時(shí)，C取10nF，則振蕩器的功耗達(dá)到12.5mW，這顯然是不可取的。

推薦實(shí)例：開關(guān)頻率取100kHZ，這時(shí)振蕩器的時(shí)間常數(shù)為2.7us，C取330pF，R=7.5kΩ。

2. 過流保護(hù)和繞組短路保護(hù)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(jì)算：

由STAR plug的手冊可得知：

實(shí)例：一個(gè)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(shí)際上在變壓器中所有繞組都有同一個(gè)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(gè)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(gè)電阻的值可由下式確定：

為防止瞬時(shí)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(gè)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(diǎn)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者給出了一個(gè)近似的估算式：

這個(gè)式子，不要從量綱上去考慮，僅作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)電流源對電容C5充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到電路啟動(dòng)電壓9V以上時(shí)，TEA162x進(jìn)行工作狀態(tài)。C5的值應(yīng)小1uF，實(shí)際上在所有的應(yīng)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(shí)峰值電壓的，其阻值要由實(shí)驗(yàn)確定，開始實(shí)驗(yàn)時(shí)可在56~560Ω之間選擇。

圖3是用光電藕合器來反饋的典型應(yīng)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(dòng)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(dá)到1%左右的用戶，則應(yīng)采用圖3所示的方案。