綠色工作模式PWM控制器SG6840/SG6841解析方案

1. 概述

綠色工作模式PWM控制器SG6840/SG6841具有許多特殊的功能和完善的保護(hù)特性。在備用狀態(tài)下，PWM工作頻率自動降低，功耗減小，但輸出電壓仍保持穩(wěn)定不變，該器件采用Bi-CMOS工藝制造，起動電流和正常工作電流大大減小，因此電源轉(zhuǎn)換效率較高。起動電流典型值只有30μA，工作電流也只有3mA。在正常工作狀態(tài)下，SG6840/SG6841為固定頻率PWM控制器。工作過程中，開關(guān)電源的負(fù)載減輕時，PWM工作頻率將隨之降低，這種綠色工作模式可顯著減小空載和輕載時開關(guān)電源的功率損失，有助于滿足恒定輸出功率的要求。該器件中還采用了同步斜率補(bǔ)償技術(shù)，它可以確保連續(xù)模式工作時電流回路的穩(wěn)定性。該器件內(nèi)含電源電壓補(bǔ)償電路，因此輸入電壓在很寬范圍內(nèi)變化時，開關(guān)電源可維持恒定輸出功率，該器件還具有過熱保護(hù)功能。為了檢測環(huán)境溫度，應(yīng)用時應(yīng)外接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC。SG6840內(nèi)部還具有限功率控制器，因此具有超功率保護(hù)功能，從而可實現(xiàn)限制電源功率的安全要求，這兩種器件都采用8腳DIP和SO封裝。

該P(yáng)WM控制器可用于通用開關(guān)電源、反激式電源變換器、交流電源適配器、電池充電適配器和機(jī)內(nèi)開關(guān)電源等方面。

2. 引腳排列及引腳功能

SG6840和SG6841引腳排列如圖1所示。各引腳的功能如下：

1腳 GND：接地腳。

2腳 FB：反饋腳。FB腳提供穩(wěn)壓器反饋信號，PWM占空比由FB腳反饋信號控制。

3腳 VIN： 起動電流輸入腳。在電源輸入和該腳之間應(yīng)接入一只起動電阻。在離線式開關(guān)變換器中，起動電阻的阻值應(yīng)為1.5MΩ。調(diào)整起動電阻的阻值，可以改變恒定輸出功率限制的電源電壓補(bǔ)償。

圖1　引腳排列

4腳 Ri：基準(zhǔn)設(shè)定。該腳典型基準(zhǔn)電壓為1.3V。該腳到接地腳之間接入一只電阻，可產(chǎn)生恒定電流（SG6841）增加該電阻的阻值，恒定電流值減小，開關(guān)頻率降低。外接電阻Ri 典型值為26KΩ。

5腳 RT： 過熱保護(hù)。該腳輸出恒定電流。為了檢測環(huán)境溫度，該腳到接地腳之間，應(yīng)接入負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC。當(dāng)該腳電壓低于設(shè)定的極限值時，過熱保護(hù)電路開始工作。

6 腳 SENSE：電流取樣。外接電流取樣電阻兩端的壓降加到該腳。該取樣電壓達(dá)到內(nèi)部門限值后，PWM輸出被封鎖，因此，可實現(xiàn)過流保護(hù)。

7腳 VDD：電源輸入。

8腳 GATE：驅(qū)動器輸出。內(nèi)部推挽輸出驅(qū)動器的輸出腳。該腳輸出信號可驅(qū)動外接的功率MOSFET。

3. 基本工作原理

SG6840內(nèi)部框圖如圖2所示。該器件與其他PWM控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，都由偏壓源、電流和電壓比較器、PWM產(chǎn)生電路、驅(qū)動器電路、保護(hù)電路等部分組成。不同的是：該器件的振蕩器受綠色模式控制器控制，開關(guān)電源空載和輕載時，電流取樣信號降低，綠色模式控制器使振蕩器工作頻率降低。SG6841內(nèi)部產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號還受功率限制控制器控制。開關(guān)電源輸出功率較大時，電流取樣信號電壓過大，該信號通過功率限制控制器，可以改變PWM輸出脈沖的占空比從而控制輸出功率。功率限制控制器還可以控制內(nèi)部偏壓，輸出功率過大時，功率限制控制器還可切斷內(nèi)部偏置電源，從而使內(nèi)部電路停止工作。應(yīng)當(dāng)注意SG6840除了無功率限制控制器外，其他與SG6841完全相同。

圖2　SG6841內(nèi)部框圖

3.1起動電流和工作電流

SG6841的起動電流只有30μA，這樣就可以選大阻值和低瓦數(shù)的起動電阻，以100VAC~240VAC輸入的AC/DC變換器為例，選取1.5MΩ、0.25W以及10μF/25V的VDD維持電容即可。

SG6840/SG6841的工作電流只有3mA，提高了工作效率，減小了維持電容。

3.2綠色工作模式

在輕載或空載時，SG6841進(jìn)入綠色工作模式，工作頻率降低。頻率的變化由取自電壓反饋環(huán)的反饋電壓控制，當(dāng)反饋電壓低于內(nèi)部門限電壓時，振蕩器頻率線性減小到最小綠色工作頻率，約10KHz左右（Ri=26KΩ）。在此振蕩頻率工作時，MOSFET的開關(guān)損耗和磁芯、電感、吸收電路等各部分的損耗均減小，從而減小了總損耗。在正常工作或重載時，PWM頻率增大到最大工作頻率，約65kHz左右（Ri=26KΩ），工作頻率不受綠色工作模式的影響。

3.3振蕩器頻率

SG6840/SG6841的工作頻率為50kHz ～100kHz，振蕩器頻率由外部電阻Ri設(shè)置。計算公式如下：

3.4電流檢測及PWM電流限制

除電流控制環(huán)之外，SG6840/SG6841還提供了電壓閉環(huán)控制。外部電流檢測電阻Rs將流過的電流轉(zhuǎn)為電壓，輸入到電流檢測管腳SENSE。正常工作時， FB腳的電壓UFB 控制流過電流檢測電阻Rs的峰值電流Ipk，最終生成占空比，峰值電流的計算公式如下：

當(dāng)輸出電壓因負(fù)載加重而降低時， FB腳的電壓UFB上升，從而增大占空比，使輸出電壓回到設(shè)定值。SG6840/SG6841的電流檢測比較器具有輸入電壓箝位功能，反相輸入端的輸入電壓被箝位到0.85V左右（視恒功率輸出限制而定）。當(dāng)SENSE腳的電壓達(dá)到0.85V的門限值時，

SG6840/SG6841進(jìn)入限流模式。最大輸出功率由電流檢測電阻Rs確定，Ipk（max）=0.85V/Rs，Rs增大，Ipk減小，最大輸出功率減小。

3.5脈沖前沿消隱

為了有效消除寄生電容在功率MOSFET開通時的尖峰干擾，SG6840/SG6841可消隱掉 250ns脈沖前沿。在此期間，限流比較器被關(guān)斷，無論此時SENSE腳的電壓有多高，驅(qū)動腳都輸出高電平。

3.6欠壓鎖定

欠壓鎖定功能可以保證SG6840的各部分正常工作，開通和關(guān)斷門限為16V/10V，起動時VDD維持電容CIN上的電壓必須高于16V。正常工作時，VDD電壓由輔助繞組提供。

3.7輸出驅(qū)動軟起動

SG6840/SG6841的BiCMOS輸出級為快速推挽輸出，因而減小熱損耗，提高了效率，增加了可靠性。輸出的最高柵極驅(qū)動電壓箝位在18V。SG6840/SG6841具有軟起動功能的推挽式輸出驅(qū)動，通過控制驅(qū)動上升沿，獲得較好的EMI。

3.8同步斜坡補(bǔ)償

電流型的控制器一般都是檢測變換器/電感的峰值電流，但在變換器/電感電流連續(xù)時，因為輸出電壓正比于平均電流而不是峰值電流，所以當(dāng)輸入電壓變化時，容易產(chǎn)生振蕩。加斜坡補(bǔ)償可以有效的防止振蕩的產(chǎn)生。SG6840/SG6841在每個三角波的上升沿加入0.33V的斜坡補(bǔ)償，有效的改善了電流控制環(huán)的特性。

3.9恒定輸出功率限制

當(dāng)SENSE腳的電壓超過0.85V門限電壓時，經(jīng)過一個很小的傳輸延時tD后，驅(qū)動輸出被關(guān)斷，因為tD不隨輸入電壓的變化而變化，所以輸出功率限制在輸入電壓為90Vrms和265Vrms時不同，為了消除輸出功率限制在高輸入電壓和低輸入電壓時的誤差，內(nèi)部門限電壓通過VIN腳自動調(diào)整。當(dāng)交流輸入電壓增大時，UIN增大，門限電壓下降，略低于0.85V。門限值的降低，使輸入電壓較高時，驅(qū)動輸出提前關(guān)斷，總的PWM開通時間減小，從而使輸出功率和低輸入電壓時相等。

3.10過熱保護(hù)

RT腳輸出恒定的電流IRT。該電流由Ri腳的外接電阻決定：IRT=2×（1.3U/Ri）。

RT腳連接電阻RA和負(fù)溫度熱敏電阻RNTC到地，當(dāng)IRT×（RNTC+RA）< 0.65V時，進(jìn)入過熱保護(hù)，PWM輸出占空比開始減小。如果溫度持續(xù)上升， RT腳的電壓降低到0.62V以下，占空比減小為0，徹底關(guān)斷輸出。

3.11噪聲抑制

噪聲對電流檢測和控制信號產(chǎn)生干擾，尤其是在電感電流連續(xù)時更為明顯。斜坡補(bǔ)償可以有效的消除噪聲干擾。SG6840/SG6841具有單獨的信號地，布局時應(yīng)嚴(yán)格遵守高頻電路或RF布局規(guī)則，同時，PCB布線和元件管腳要盡量短，Ri，RT和VDD3個腳外接電容應(yīng)盡量靠近SG6840，驅(qū)動輸出到功率MOSFET的柵極之間要加10～20Ω的電阻，這些措施都可以有效的消除噪聲干擾。

4. 應(yīng)用電路

4.1 基本的DC/DC變換器電路

由SG6840組成的DC/DC變換器基本電路如圖3所示。輸入直流電壓Uin通過電阻R1加入VIN腳，該電壓經(jīng)內(nèi)部電阻降壓后，除了加到電源輸入腳VDD外，還加到內(nèi)部偏壓源的輸入端，通過偏壓源給內(nèi)部電路供電。電阻R2為電流取樣電阻。該電阻兩端的壓降加到電流取樣腳SENSE，不僅可實現(xiàn)逐脈沖限流，還可限制輸出功率。變換器輸出電壓經(jīng)光耦反饋到FB腳，可穩(wěn)定輸出電壓，電阻R3接在基準(zhǔn)設(shè)定腳，改變R3的阻值，可改變開關(guān)頻率。RT腳外接的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻可實現(xiàn)過熱關(guān)斷。GATE腳輸出脈沖控制外接MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖3　 SG6840組成的DC/DC變換器

4.2 12V 5A離線式開關(guān)電源

4.2.1 基本電路

SG6840組成的12V 5A離線式開關(guān)電源電路如圖4所示。該電源的輸入交流電壓范圍：90V—264V，輸出12V/5A，維持時間大于17mS，具有過載保護(hù)、短路保護(hù)、過/欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)功能。通過CISPR-22　B級EMI測試標(biāo)準(zhǔn)和EN61000-4-X VER：97 EMS測試標(biāo)準(zhǔn)。冷卻方式為自然風(fēng)冷。該電源的演示板尺寸為：113.5×53×20（mm）。

圖4　 SG6840組成的12V 5A離線式開關(guān)電源電路

4.2.2 主要特性

該電源輸入交流電壓為240V，電流頻率為60Hz，輸出功率為60W的條件下，開關(guān)頻率F、輸入功率PIN與輸出功率的關(guān)系如圖5所示。可以看出輸出功率超過30W時，開關(guān)頻率固定在60kHz，輸入功率低于30W后，開關(guān)頻率將隨輸出功率下降而線性降低。在整個工作范圍內(nèi)輸入功率與輸出功率基本上為線性關(guān)系，靜態(tài)輸入功率只有0.5W.

圖5　 開關(guān)頻率，輸入功率與輸出功率的關(guān)系