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(tái)，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(lái)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(duì)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?jiǎn)?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(guò)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(shuō)來(lái)，功率MOS管耗散的功率是開關(guān)電源自身功耗的主要來(lái)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(lái)決定，與芯片制造工藝有關(guān)，IDS(off)通常在微安量級(jí)，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(shí)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(jí)。為此，在電路設(shè)計(jì)上，加上了谷值檢測(cè)電路，一旦電路諧振，能正確地測(cè)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(lái)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(guò)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(guò)流保護(hù)、欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)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(lái)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(cè)。

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(jí)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(jí)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(guò)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(guò)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(jí)電感有電流通過(guò)，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(chǔ)存在初級(jí)電感和磁芯氣隙中的能量立即傳送到變壓器的次級(jí)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(lái)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(guò)調(diào)制芯片內(nèi)部功率MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，來(lái)控制通過(guò)變壓器初級(jí)峰值電流，從而使輸出電壓穩(wěn)定。

為了說(shuō)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(lái)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(hào)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(zhǎng)，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(guò)流保護(hù)的閾值來(lái)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(guò)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(guò)流保護(hù)和輸出短路保護(hù)。

過(guò)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(cè)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(duì)功率MOS管起到了保護(hù)作用。

為了防止檢測(cè)出虛假的過(guò)流信號(hào)，對(duì)比較器加上了一個(gè)禁止端。當(dāng)過(guò)流信號(hào)超過(guò)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(guò)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(hào)的措施。

STARplug還提供精確的過(guò)溫保護(hù)。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)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(huì)恢復(fù)工作。

退磁檢測(cè)

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(guò)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(duì)輸入電壓進(jìn)行箝位。只要次級(jí)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(duì)于輸出電壓較低，以及變壓器漏感較大的場(chǎng)合特別有用。

圖7：STARplug退磁檢測(cè)

過(guò)壓保護(hù)

在芯片的框圖中，雖然沒有為過(guò)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(guò)程中，一旦產(chǎn)生過(guò)電壓，則必然將REG端的工作電平上拉，從而使初級(jí)繞組的工作行程立即終止。只有當(dāng)過(guò)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(jiǎn)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(lái)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(guò)變壓器初級(jí)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(jí)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(cè)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(guò)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(jí)輸出電壓和輔助電壓VCC是通過(guò)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(guò)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(duì)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(lái)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?jiǎn)?dòng)電流源對(duì)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(lái)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(lái)反饋的典型應(yīng)用電路。從初級(jí)側(cè)來(lái)看，其最大的區(qū)別就是在圖3中用光電晶體管來(lái)取代圖2中的電阻R8，而圖3的次級(jí)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(duì)于那些對(duì)穩(wěn)定度要求不高而對(duì)成本要求很高的場(chǎng)合，可選用此方案。

如果對(duì)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。