簡化50W以下開關(guān)電源電路拓樸結(jié)構(gòu)的芯片解析方案

1 引言

低成本、高效率、小型化、離線式調(diào)節(jié)是開關(guān)電源發(fā)展的必然趨勢。意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的VIPer50是將功率MOSFET與PWM控制器集成在同一芯片的單片開關(guān)電源集成電路，它是目前最具代表性的五端單片開關(guān)電源器件。該芯片簡化了50W以下開關(guān)電源電路的拓樸結(jié)構(gòu)，使得開關(guān)電源的效率和可靠性大幅度提高，同時大大降低了電源電路的體積與制造成本。

2　VIPer50的結(jié)構(gòu)特點

VIPer50在芯片上集成了開關(guān)管、驅(qū)動級、振蕩器、PWM控制器、欠壓鎖存電路、寬帶誤差放大器、延遲電路、消隱電路、過載和超溫保護電路等，實現(xiàn)了單片集成化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　VIPer50內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

VIPer50的主要特點如下：

(1)集優(yōu)化的高壓縱向功率MOSFET、脈寬調(diào)制器(PWM)和各種保護電路于一體，使外圍元件減少20~50個，提高了系統(tǒng)的可靠性并降低成本。

(2)工作電壓范圍為85~265VAC，適合于世界各地的工頻電源，無需電壓選擇開關(guān)。

(3)轉(zhuǎn)換效率高，待機電流小。具有獨特的突發(fā)模式控制功能，當(dāng)電源處于待機狀態(tài)時自動進入突發(fā)模式，消耗功率低于1W，符合歐洲“藍天使”的待機標準。

(4)既可工作于固定頻率(約200kHz)方式，也可工作于用戶調(diào)整方式或同步方式，最高工作頻率可設(shè)置為300kHz。

(5)開機軟啟動，并具備完善的保護功能，例如欠壓磁滯鎖存、超溫關(guān)機、過壓限制保護等。

(6)不需要外圍電流檢測電路，利用MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(on)來檢測和控制流它的電流，與分立MOSFET的作用不相同。

3　VIPer50的引腳功能

VIPer50采用了PENTAWATT　HV、PENTAWATT　HV(220)、PowerSO-TOTM三種的封裝，各引腳功能描述如下：

漏極引腳(DRAIN)，內(nèi)部連接高壓功率MOSFET的漏極引腳。在電源啟動期間，通過高壓電流源為內(nèi)部控制電路提供偏置電流，在電源正常工作期間關(guān)閉高壓電流源。

源極引腳(SOURCE)，內(nèi)部連接功率MOSFET的源極引腳。

電源供電引腳(VDD)，該引腳有兩種功能：(1)給內(nèi)部控制電路提供電源電壓，當(dāng)VDD引腳電壓低于8V時，功率MOSFET關(guān)斷，啟動電流源被激活， VDD引腳偏置電流約2mA，COMP對地短路。當(dāng)VDD電壓升高到11V閾值電壓時，啟動電流源自動關(guān)閉，器件開始轉(zhuǎn)換，變壓器向負載供電。(2)內(nèi)部連接誤差放大器，允許初級調(diào)節(jié)設(shè)置和次級調(diào)節(jié)設(shè)置。

控制引腳(COMP)，該引腳有兩種功能：(1)它是誤差放大器的輸出端，外部連接RC網(wǎng)絡(luò)用于回路補償。(2)當(dāng)電子設(shè)備進入待機狀態(tài)時，COMP引腳將電壓低于0.5V，器件能自動轉(zhuǎn)換到突發(fā)模式(低頻工作模式)，從而降低了開關(guān)電源的損耗。

頻率調(diào)整引腳(OSC)，該引腳通過偏置電阻Rt連接到VDD，Rt、Ct網(wǎng)絡(luò)決定了內(nèi)部振蕩頻率。改變Rt、Ct的參數(shù)，可使振蕩頻率在30kHz~1000kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。Rt、Ct的取值與與振蕩頻率FSW之間的關(guān)系滿足：

當(dāng)Rt>1.2kΩ，Ct≥15nF時，F(xiàn)SW≤40kHz。

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用光電耦合器取代Rt、Ct網(wǎng)絡(luò)，在其發(fā)光二極管端引入外部時鐘脈沖，電路工作在外同步模式，如圖2所示。

圖2　VIPer50工作在外同步模式

4 典型應(yīng)用電路

4.1　通用型開關(guān)電源

由VIPer50構(gòu)成的通用型開關(guān)電源電路如圖3所示，該電路采用了典型的單端反激式拓樸結(jié)構(gòu)，交流輸入電壓范圍為85~265V，輸出功率為30W(+5V、6A)，效率達85%，負載調(diào)整率S1在4%~6% 。接通電源后，220V交流電首先經(jīng)EMI濾波、橋式整流、C2濾波，得到約300V直流高壓，再經(jīng)開關(guān)變壓器T1初級繞組N1，給VIPer50提供開機電壓。反饋繞組N2上的感應(yīng)電壓通過R3、VD3、C4整流濾流后，得到反饋電壓，分成兩路：一路加至VDD引腳，為芯片提供電源電壓;另一路則通過振蕩電阻R4送至頻率調(diào)整端，為振蕩電容C5提供充電電壓。從T1次級繞組N3輸出的PWM功率信號，經(jīng)過VD2整流及C9、L2、C10濾波后，產(chǎn)生+5V的穩(wěn)壓輸出。

為防止剛開機時輸入濾波電容C2上的充電電流過大，在交流輸入端串聯(lián)了一只負溫度系數(shù)的熱敏電阻R1。電容C1與扼流圈L2構(gòu)成簡單的EMI濾波器，用于抑制交流電網(wǎng)中的高頻噪聲。VD1、R2、C3組成鉗位保護電路，可將開關(guān)變壓器T1初級繞組上的高壓感應(yīng)電動勢衰減到安全范圍內(nèi)，避免損壞芯片。VD1為阻塞二極管，實選BYD37J型600V/1.5A快恢復(fù)二極管;C3優(yōu)選耐壓高、漏電小的陶瓷電容(2200pF/1kV);BR1選擇由4只IN4007(1A/1kV)硅整流管構(gòu)成的橋式整流器。VD3采用高頻開關(guān)二極管1N4148;VD2須選用10A/30V以上的肖特基二極管，例如B82-004型(15A/40V)。C6、C7和R5組成了回路補償電路，它們能改善內(nèi)部誤差放大器的頻率響應(yīng)。為抑制共模干擾，在開關(guān)變壓器N2、N3繞組的同名端之間，還并聯(lián)了一只高壓陶瓷電容(1000pF/3kV)。

圖3　由VIPer50構(gòu)成的通用型開關(guān)電源電路

4.2　30W精密開關(guān)電源

圖3所示的開關(guān)電源不足之處在于負載調(diào)整率較高(S1在4%~6%)，難以滿足精密穩(wěn)壓的要求。由VIPer50構(gòu)成的30W精密開關(guān)電源電路如圖4所示。該電源的負載調(diào)整率S1<1%，與圖3比較主要有以下區(qū)別：

(1)電路中增加了由TL431可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器和光電耦合器組成的光耦反饋式電路，通過TL431內(nèi)部2.5V基準電壓和采樣電壓比較，改變光耦的工作電壓的大小，再由光耦調(diào)節(jié)VIPer50的占空比，即可實現(xiàn)精密穩(wěn)壓的目的。光耦工作在線性狀態(tài)，CTR(電流放大率)太大，容易造成VIPer50過壓保護;若CTR太小，占空比D將不能隨反饋電流的增大而減小，從而導(dǎo)致過流。因此，應(yīng)選取CTR范圍接近100%的光耦，例如SFH610A-2型光耦。

(2)在VDD引腳中增加了由C6、R4組成的輸入浪涌電流保護電路。在接通電源時，開關(guān)電源并不立即啟動，而是通過R4對C6進行充電，等VDD引腳上電壓達到8V時，開關(guān)電源才逐漸開始工作，確保芯片在開機瞬間各部分處于低電壓、小電流的工作狀態(tài)，防止內(nèi)部功率MOSFET被浪涌電流和開關(guān)變壓器的高壓感應(yīng)電動勢損壞。

圖4　由VIPer50構(gòu)成的30W精密開關(guān)電源電路

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4.3 由微處理器控制的VIPer50開關(guān)電源

由微處理器控制的VIPer50開關(guān)電源如圖5所示。該電源電路的特點是在VIPer50的VDD、COMP引腳之間增加由三極管VT1、VT2和穩(wěn)壓管VD4等組成的待機控制電路，其中VD4跨接在COMP引腳與VT1的集電極之間。開關(guān)電源正常工作時，VDD經(jīng)R5、R7、VD4加到COMP引腳，因VDD小于VD4的反向擊穿電壓，故COMP引腳電壓不受VDD電壓的影響，只受光耦I(lǐng)C3的控制。當(dāng)微處理器發(fā)出關(guān)機信號時，在VT1的基極輸入高電平，VT1、VT2和VD4都導(dǎo)通，COMP引腳立即被鉗位到低電平，VIPer50進入低功耗待機模式，封鎖輸出。這種電源電路特別適合在液晶顯示器、打印機、DVD等有待機控制要求的設(shè)備中應(yīng)用。

圖5 由微處理器控制的VIPer50開關(guān)電源

5 結(jié)語

以VIPer50為核心的開關(guān)電源，具有外圍電路簡單、使用靈活、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點，因此在液晶顯示器電源、打印機電源、VCR和DVD播放機電源等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。