DPA-Switch系列集成控制器在小功率DC-DC變換器中的應用（一）

1．引言

DPA-Switch是美國Power Integration公司推出的新型系列集成控制器，目前有DPA423R、DPA424R、DPA425R和DPA426R四種型號。該系列集成控制器采用CMOS工藝，其拓撲形式與TOPSwitch系列集成控制器相同，內(nèi)部集成高壓功率MOSFET、PWM控制電路、故障保護電路以及其他控制電路，是小功率DC－DC變換器高度集成解決方案的理想選擇。

2．特點和引腳說明

2．1 特點

DPA-Switch系列集成控制器具有以下特點：

　?。?）內(nèi)部集成電流檢測電路；

　?。?）內(nèi)置自動重啟動功能，在輸出過載及開路狀態(tài)下提供相應的保護；

　　（3）定頻PWM控制，300KHz和400KHz兩種開關頻率可供選擇；

　?。?）輸入電壓范圍寬：16VDC－75VDC；

　?。?）電壓模式控制，在不進行斜坡補償?shù)臈l件下，占空比能夠達到75％，同時提供5-10KHz的環(huán)路帶寬；

　　（6）源極接線結(jié)構(gòu)可有效降低EMI；

　　（7）線電壓欠壓保護功能符合ETSI標準；

　　（8）具有線電壓過壓保護功能；

　?。?）采用低成本電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同步整流功能；

　?。?0）具有軟啟動功能，有效降低系統(tǒng)應力和過沖；

　　（11）限流功能可通過外部電路編程控制；

　　（12）最大占空比可編程控制；

　　（13）支持正激和反激電路拓撲；

　?。?4）獨特的周期跳越功能；

　　（15）采用滯后型過熱關斷功能實現(xiàn)系統(tǒng)故障自動恢復；

　　（16）具有外部時鐘信號同步功能。

2．2 引腳說明

DPA-Switch系列集成控制器采用6引腳TO-263-7C封裝，如圖1所示。其引腳功能簡介如下：

       Control（C）（引腳1）：控制引腳，誤差放大器及反饋電流輸入端，用于占空比控制。在正常工作狀態(tài)下，由內(nèi)置分流調(diào)節(jié)器提供內(nèi)部偏置電流。電源旁路及自動重啟動/補償電容也接于該腳。

　　·Line-Sense（L）（引腳2）：母線檢測引腳，過壓信號、欠壓鎖定信號、母線前饋信號、遠程ON/OFF信號以及同步信號輸入端。該腳與Source腳（引腳4）相連其功能將失效。

　　·External Current Limit（X）（引腳3）：限流功能外部控制引腳，外部限流調(diào)節(jié)信號、遠程ON/OFF信號輸入端。該腳與Source腳（引腳4）相連其功能將失效。

　　·Source（S）（引腳4）：內(nèi)部輸出MOSFET的源極引腳，變壓器原邊控制電路公共端及參考點。

　　·Frequency（F）（引腳5）：開關頻率選擇端，該端與Source腳（引腳4）相連，開關頻率為400KHz，該腳如與Control腳（引腳1）相連，開關頻率為300KHz。

　　·Drain（D）（引腳6）：內(nèi)部高壓輸出MOSFET漏極輸出端，內(nèi)部高壓偏置電流源通過該端提供驅(qū)動偏置電流。該端還是內(nèi)部漏極電流限幅檢測端。

3．工作原理

DPA-Switch系列集成控制器的內(nèi)部原理框圖如圖2所示。由于DPA-Switch采用了與TOPSwitch相同的拓撲形式，因此TOPSwitch所具有的高壓啟動、逐周限流、環(huán)路補償、自動重啟動以及過熱關斷等基本功能，DPA-Switch同樣具備。除此以外，DPA-Switch還具有一些更先進的功能：

　?。?）5ms軟啟動限流功能，能夠有效限制抑制系統(tǒng)啟動瞬間的峰值電流和峰值電壓，最大限度的減小或去除輸出過沖的影響；

　　（2）最大占空比和母線前饋功能使DPA-Switch更適用于正激和反激變換器；

　　（3）工作頻率高達400KHz，磁性部件尺寸更小，所提供的環(huán)路帶寬更寬；

　　（4）輕載時的周期跳越功能最大限度的降低了待機功耗；

　　（5）母線欠壓檢測功能確保系統(tǒng)在上電或掉電過程中正常工作，并使系統(tǒng)符合相關標準；

　?。?）母線過壓保護功能使DPA-Switch在輸入過壓和母線浪涌電壓條件下獲得足夠的保護；

　?。?）限流功能可以通過外部電路進行設置，極大的提高了設計的靈活性，并能夠有效的抑制因過載而造成的功率激升；

　　（8）能夠?qū)崿F(xiàn)同步功能；

　　（9）能夠?qū)崿F(xiàn)遠程ON/OFF功能；

　　（10）具有熱故障排除后系統(tǒng)自動恢復功能；

　　（11）開關頻率、限流閾值以及欠壓鎖定閾值精確而穩(wěn)定，受溫度變化的影響很小。

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3．1 Control引腳的工作過程

DPA-Switch的Control引腳呈低阻抗狀態(tài)，可同時接受供電和反饋混合信號。在正常工作狀態(tài)下，芯片內(nèi)部的分流調(diào)節(jié)器會將反饋信號從混合信號中分離出來。Control引腳上的電壓Vc用于向芯片內(nèi)部的控制電路供電，包括為輸出MOSFET驅(qū)動器供電。實際應用當中，需在Control引腳和Source引腳之間接一只旁路電容，以提供MOSFET的柵極驅(qū)動電流。該電容的大小將對自動重啟動時間和控制環(huán)路補償產(chǎn)生影響。

在啟動過程中，當直流輸入電壓施加在Drain引腳上時，輸出MOSFET處于關斷狀態(tài)，接在Control引腳上的電容通過芯片內(nèi)部集成在Control引腳和Source引腳之間的高壓電流源進行充電。當Contro引腳上的電壓Vc上升至5.8V左右時，控制電路開始工作，系統(tǒng)進入軟啟動狀態(tài)。軟啟動電路使占空比由零逐漸上升至最大值，這一過程將持續(xù)大約5ms的時間。軟啟動過程結(jié)束時，高壓電流源關斷。如果此時Control引腳上沒有反饋-供電混合信號出現(xiàn)，軟啟動電容將開始放電。如果設計正確，且系統(tǒng)不存在開環(huán)或過載等故障，在Control引腳上的電壓放電至4.8V的欠壓鎖定之前，外部反饋環(huán)路將向Control引腳提供電流，以維持對Control引腳上電容進行充電。當電容電壓充至5.8V的分流調(diào)節(jié)器閾值時，超過芯片正常工作所需電流的富余部分將通過電阻RE分流至Source。該電流控制MOSFET占空比的大小，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。分流調(diào)節(jié)器的輸出阻抗ZC相當?shù)?。如果采用原邊反饋結(jié)構(gòu)，該阻抗的大小將決定誤差放大器的增益。控制環(huán)路的主極點將由控制引腳的動態(tài)阻抗Zc和接在Control引腳上的外部電容共同決定。占空比與Control引腳電流之間的關系如圖3所示。

當系統(tǒng)出現(xiàn)開路或過載故障后，外部流入Control引腳的電流受到影響，接在Control引腳上的電容開電。當電容上的電壓降至4.8V時，自動重啟動電路開始工作，輸出MOSFET被關斷，控制電路進入小電流待機狀態(tài)。此時高壓電流源開啟，重新對外接電容進行充電。芯片內(nèi)部的滯回比較器通過控制高壓電流源的開啟和關斷，使VC始終保持在4.8V-5.8V這一窗口電壓范圍之內(nèi)。在自動重啟動電路中包含一個八分之一分頻器，該分頻器確保MOSFET在經(jīng)過8個充/放電周期之后才會再次開通。這樣一方面能夠有效降低DPA-Switch的功耗，另一方面由于自動重啟動周期內(nèi)的占空比僅為4％，系統(tǒng)在該過程中向輸出端傳輸?shù)墓β室泊蟠蠼档汀９收吓懦?，系統(tǒng)恢復正常后，自動重啟動周期才會結(jié)束，否則該過程將一直持續(xù)下去。DPA-Switch的典型工作波形圖如圖4所示。

3．2 振蕩器和開關頻率的選擇

DPA-Switch芯片內(nèi)部的振蕩器通過對內(nèi)置電容器的充放電，生成PWM控制器所需的鋸齒波。PWM控制器和限流調(diào)節(jié)器的門限值由振蕩器在每個工作周期初始階段設定。

通常開關頻率應設為400KHz，此時應將Frequency引腳與Source引腳相連。在某些情況下，如采用次級同步整流時，需要將開關頻率設得低一些。此時需要將Frequency引腳與Control引腳連在一起，這時的開關頻率將為300KHz。

3．3 PWM和最大占空比控制

DPA-Switch芯片采用的是電壓控制模式，生成的PWM脈沖寬度與流入Control引腳的那部分富余電流成反比。這部分超過芯片正常工作所需的富余電流通過電阻RE轉(zhuǎn)化為電壓后作為反饋誤差信號送入PWM比較器。該信號經(jīng)過一個轉(zhuǎn)折頻率為30KHz的RC網(wǎng)絡濾波，去除芯片內(nèi)部輸出MOSFET產(chǎn)生的開關噪聲信號的干擾后，與內(nèi)部振蕩器發(fā)出的鋸齒波信號相比較，最終生成PWM驅(qū)動脈沖信號。隨著控制電流的上升，占空比逐漸下降。輸出MOSFET的開通閾值由振蕩器時鐘信號決定，PWM控制器能夠?qū)⒃撻撝祻臀?，并使輸出MOSFET關斷。這里需要注意的是，在占空比開始變化之前，Control引腳上必須注入控制電流。

DCMAX是最大占空比，其默認值的典型值為75％。如果在Line-Sense（L）引腳和直流輸入端之間增加一只特定阻值的電阻，當輸入電壓升高時，DCMAX將由75％下降至33％。

3．4 最小占空比和周期跳越控制

負載發(fā)生變化時，占空比也將隨之發(fā)生改變。占空比的變化與Control引腳上的電流成反比。當Control引腳上的電流上升時，占空比將線性下降，直至最小占空比DCMIN。當占空比達到DCMIN時，如果此時Control引腳上的電流繼續(xù)上升2mA，PWM控制器會強行將占空比由DCMIN逐步降至0。這一特點保證了在負載所需功率低于DC MIN狀態(tài)下變換器的傳輸功率時系統(tǒng)工作在周期跳越模式。由正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)至周期跳越狀態(tài)是系統(tǒng)自動完成的，無需任何附加控制。隨著負載所需功率的上升或下降，系統(tǒng)將根據(jù)實際需要在正常工作狀態(tài)和周期跳越狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換。當然，如果需要也可以將周期跳躍這一功能去掉。具體做法是在變換器輸出端上接一個很小的負載，使占空比始終維持在DC MIN之上即可。

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3．5 誤差放大器

在采用原邊反饋控制的應用中，分流調(diào)節(jié)器還可以起到誤差放大器的作用。分流調(diào)節(jié)器的電壓由溫度補償型帶隙基準提供，誤差放大器的增益則由Control引腳的動態(tài)阻抗決定。加在Control引腳上的電壓信號被箝位于Vc，電流信號一部分用于維持芯片的正常工作，其富余部分則由分流調(diào)節(jié)器分流后流經(jīng)電阻RE作為電壓誤差信號。

3．6 限流功能

DPA-Switch具有逐周漏極峰值電流限幅功能，該功能是借助輸出MOSFET的導通電阻作為檢測電阻而實現(xiàn)的。限流比較器將輸出MOSFET導通狀態(tài)時的漏－源電壓VDS(ON)和特定的閾值電壓相比較。當VDS(ON)超過這一閾值時，輸出MOSFET將被關斷直至下一個工作周期開始。限流比較器閾值經(jīng)過了溫度補償，能夠最大限度的減小輸出MOSFET的RDS(ON)隨溫度變化而對限流功能產(chǎn)生的影響。限流閾值可以通過外部電路進行編程控制，即在External Current Limit（X）引腳和Source引腳之間接一只電阻，就可以實現(xiàn)對芯片預設限流閾值的調(diào)整，調(diào)整范圍為預設限流閾值的25％至100％之間。如果將限流閾值調(diào)低，就可以選用更高一級規(guī)格的DPA-Switch芯片，利用其更低的RDS(ON)來實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。如果在External Current Limit（X）引腳和直流輸入端之間再接一只電阻，如前所述，隨著輸入電壓的升高，限流閾值將隨之下降，以實現(xiàn)功率限制，這在反激變換器中尤為重要。

在輸出MOSFET開通之后，限流比較器將被上升沿消隱電路短暫的屏蔽。如果變換器設計正確的話，上升沿消隱電路將有效防止輸出MOSFET因電流尖峰造成的異常關斷。這里，電流尖峰主要是由原邊電容和副邊整流二極管反向恢復引起的。

3．7 母線欠壓檢測

系統(tǒng)上電時，母線欠壓檢測功能將使DPA-Switch保持關斷狀態(tài)，直到輸入母線電壓達到欠壓閾值上限。系統(tǒng)掉電時，母線欠壓檢測功能將使DPA-Switch保持開通狀態(tài)，直到輸入電壓降至欠壓閾值下限。欠壓閾值的上限和下限取值由接在Line-Sense（L）引腳和直流輸入端之間的電阻決定。為了防止因噪聲引發(fā)的誤觸發(fā)，欠壓閾值下限被設為閾值上限的94％。如果在正常工作狀態(tài)下，欠壓檢測信號達到閾值下限，且這一狀態(tài)持續(xù)的時間超過10μs，芯片將被關斷直到欠壓檢測信號重新達到閾值上限。在此之后，當Control引腳上的電壓上升至5.8V時，將進入軟啟動階段。如果變換器在欠壓檢測信號重新達到閾值上限之前處于異常狀態(tài)，芯片將進入自動重啟動狀態(tài)。在每個自動重啟動周期即將結(jié)束時，欠壓比較器被激活。如果欠壓檢測信號達不到閾值上限，在下一個周期，輸出MOSFET將被禁止。需要說明的是，欠壓檢測功能可以被禁止，而且獨立于母線過壓關斷功能。

3．8 母線過壓關斷

母線過壓關斷閾值同樣由母線欠壓檢測電阻決定。當母線電壓超過過壓關斷閾值時，輸出MOSFET將在一個開關周期內(nèi)被強制關斷。過壓關斷閾值與欠壓閾值的比值被預置為2.7。由于輸出MOSFET關斷時，反射電壓以及漏極尖峰電壓的出現(xiàn)，輸入浪涌將大大增加。同樣，為了防止誤觸發(fā)，過壓閾值也留有一定的裕量。與欠壓檢測功能相同，過壓關斷功也能夠被禁止，并獨立于母線欠壓檢測功能。

3．9 母線前饋及DCMAX下降

Line-Sense（L）引腳和直流輸入端之間的電阻還能夠起到母線電壓前饋的作用，以減小輸出紋波，降低母線瞬態(tài)變化對變換器輸出產(chǎn)生的影響。在Control引腳上電流相同的條件下，母線電壓越高，占空比越小。當母線電壓達到過壓閾值時，DCMAX將由75％下降至33％，這樣能夠有效防止正激變換器中變壓器因大的負載瞬變而飽和。

3．10 遠程ON/OFF控制

所謂DPA-Switch的遠程ON/OFF控制是相對于逐周ON/OFF控制而言的。DPA-Switch的開通和關斷可以通過控制流入Line-Sense（L）引腳或流出External Current Limit（X）引腳的電流進行控制，這樣就可以通過多種方式實現(xiàn)DPA-Switch的遠程ON/OFF控制。例如在External Current Limit（X）引腳和Source引腳之間接入一只開關管或光耦，遠程ON/OFF控制功能將被激活，而在Line-Sense（L）引腳和Control引腳之間接入一只開關管或光耦，遠程ON/OFF控制功能將被禁止。

當發(fā)生欠壓、過壓故障，或者接收到遠程OFF信號時，DPA-Switch在輸出關斷之前仍會使相應的電流開關周期得以完成。此時，內(nèi)部振蕩器將停止工作直到故障信號排除。

遠程ON/OFF控制能夠使變換器在待機狀態(tài)，以及DPA-Switch在長時間關斷狀態(tài)下的功耗保持在相當?shù)偷乃健Ｈ绻鸇PA-Switch在遠程關斷狀態(tài)下的時間超過10μs，Control引腳將進入滯回工作模式。在該模式下，Control引腳上的電壓通過充放電周期在4.8V至5.8V之間交替變化。此時，高壓直流輸入將與DPA-Switch完全斷開，芯片處于極低功耗狀態(tài)。當DPA-Switch接收到遠程開通信號時，芯片將在Control引腳上的電壓再次達到5.8V時重新進入啟動過程。在最壞情況下，DPA-Switch在接收到遠程開通信號到重新啟動的延遲時間將等于Control引腳外接電容的充-放電周期。假設Control引腳上的外接電容為22μF時，延遲時間將為36ms。

遠程ON/OFF控制功能能夠替代機械開關，從而降低系統(tǒng)成本。同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)微處理器控制。

3．11 同步功能

除了檢測過壓、欠壓以及遠程ON/OFF信號外，Line-Sense（L）引腳還通過一個1V的閾值比較器監(jiān)測自身的引腳電壓。如果Line-Sense（L）引腳上的電壓低于1V，則允許DPA-Switch開通。如果Line-Sense（L）引腳上的電壓超過1V，DPA-Switch將被關斷。在輸出被強制關斷之前，DPA-Switch仍將繼續(xù)使相應的電流開關周期得以完成。振蕩器在本次電流開關周期結(jié)束時停止工作，直到Line-Sense（L）引腳上的電壓重新恢復到1V以下。利用這一特性，可以通過外部觸發(fā)信號實現(xiàn)DPA-Switch的同步，而且該信號的頻率可以低于DPA-Switch的開關頻率。在Line-Sense（L）引腳和Source引腳之間接入一只開關管或光耦，同步功能將得以實現(xiàn)。

為了準確的接收同步脈沖，Line-Sense（L）引腳應保持低電平（開通狀態(tài)），并持續(xù)至少120ns。當開關頻率為400KHz時，該時間不能超過2250ns；當開關頻率為300KHz時，該時間不能超過3080ns。同步狀態(tài)下，有效的DCMAX可通過下式計算出來：
DCMAXSYNC＝0.75×fSYNC/fOSC

另外，DPA-Switch的關斷時間不能超過7.7μs。如果超過了7.7μs，Control引腳將進入滯回工作模式。同步功能時序圖如圖5所示。

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3．12 軟啟動功能

系統(tǒng)啟動過程中，軟啟動功能將被激活，并將持續(xù)約5ms的時間。在此時間間隔內(nèi)，占空比由0線性的上升至75％，同時限流閾值將由85％上升至100％。另外，在自動重啟動過程以及Control引腳滯回工作模式下，軟啟動功能都將被激活。軟啟動功能能夠有效降低輸出MOSFET、箝位電路以及輸出整流電路在啟動過程中的電流和電壓應力。同時還能夠有效抑制變壓器在啟動過程中的過沖，防止變壓器飽和。

3．13 關斷和自動重啟動功能

為了降低DPA-Switch在故障狀態(tài)下的功耗，關斷和自動重啟動電路只在自動重啟動周期才動作。

3．14 滯回過熱保護功能

當DPA-Switch的結(jié)溫超過137℃時，滯回過熱保護電路將關斷輸出MOSFET。當結(jié)溫下降至110℃時，DPA-Switch將恢復正常工作。在過熱保護過程中，Control引腳處于滯回工作模式。

3．15 帶隙基準

DPA-Switch的內(nèi)部供電電壓由溫度補償型帶隙基準提供。該基準同時還作為溫度補償型電流基準，精確設定DPA-Switch的開關頻率、限流閾值以及母線過壓/欠壓閾值。

3．16 高壓偏置電流源

DPA-Switch內(nèi)部的高壓偏置電流源通過Drain引腳為芯片提供偏置，并在啟動和滯回工作模式下對Control引腳上的外接電容進行充電。滯回工作模式出現(xiàn)在自動重啟動、遠程OFF以及過熱關斷過程中。在這種工作模式下，高壓偏置電流源的有效占空比僅為20％。該占空比的大小由Control引腳上的充電電流和放電電流的比值決定。當輸出MOSFET開始正常工作時，高壓偏置電流源停止工作。

4．功能引腳的使用

DPA-Switch有三個功能引腳：Frequency（F）、Line-Sense（L）和External Current Limit（X）。

其中Frequency引腳的用法比較簡單，這里不做贅述。Line-Sense引腳和External Current Limit引腳的功能豐富，下面主要介紹這兩個功能引腳的用法。這兩個引腳的特性圖如圖6所示。

4．1 Line-Sense引腳各種功能的實現(xiàn)

利用Line-Sense引腳能夠?qū)崿F(xiàn)5種功能，即過壓保護、欠壓鎖定、母線前饋、遠程ON/OFF以及同步。

在Line-Sense引腳與直流輸入端之間接一只電阻即可實現(xiàn)過壓保護、欠壓鎖定和母線前饋功能。如圖7所示。在這種模式下，過壓和欠壓閾值由電阻RLS的阻值決定。

如果只需要欠壓鎖定功能，而無需過壓保護功能，可以按照圖8的接法將過壓保護功能屏蔽掉。反之，按照圖9的接法，則可以將欠壓鎖定功能屏蔽掉，只保留過壓保護功能。

在Line-Sense引腳和Control引腳之間接一只開關管，可以禁止遠程ON/OFF功能，如圖10和圖11所示。

同步功能的實現(xiàn)如圖12所示。

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4．2 External Current Limit引腳各種功能的實現(xiàn)

當電流由External Current Limit引腳流出時，該引腳將起到一個1.3V電壓源的作用，其拉電流能力為230 µA。當拉電流達到230 µA時，該引腳將由電壓源轉(zhuǎn)為電流源。借助External Current Limit引腳能夠?qū)崿F(xiàn)限流閾值外部設定和遠程ON/OFF激活兩種功能。

限流閾值外部設定的實現(xiàn)如圖13和圖14所示。遠程ON/OFF激活功能的實現(xiàn)如圖15和圖16所示。

4．3 組合功能的實現(xiàn)

根據(jù)需要，借助Line-Sense引腳和External Current Limit引腳的組合可以實現(xiàn)更多的功能，如圖17、圖18和圖19所示。