智能功率開關(guān)電源IC設(shè)計

1 引言

開關(guān)電源是近幾年電源市場的焦點之一,它最大的優(yōu)點是大幅度縮小變壓器的體積和重量,這樣就縮小了整個系統(tǒng)的體積和重量。一般說來,開關(guān)電源的重量是線性電源的1/4,相應的體積大概是線性電源的1/3。所以開關(guān)電源對低檔的線性電源,尤其是20W以下的線性電源構(gòu)成了威脅,大有取而代之之勢。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電源除了PWM 和功率MOSFET之外還包括50個左右的分立元件,這不但增加了成本、體積,而且還使可靠性受到了影響。這主要是生產(chǎn)工藝上的原因,開關(guān)電源在集成化上一直沒有突破。

近幾年,隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟,已經(jīng)能將低壓控制單元和高壓大功率管集成到同一塊芯片之中。TI、ON Semiconductor、Power、 Integrations等公司都已經(jīng)有類似的產(chǎn)品,而國內(nèi)則幾乎是一片空白。由于開關(guān)電源在體積、重量、效率以及可靠性上的優(yōu)勢,它的研究和發(fā)展速度是驚人的。其主要應用領(lǐng)域有：①郵電通信：作程控交換機、移動通信基站電源;②計算機：作為各種PC機、服務器、工業(yè)控制機的開關(guān)電源;③家用電子產(chǎn)品：目前使用開關(guān)電源的家用電子產(chǎn)品有電視機、影碟機等;④其他行業(yè)：如電力、航天、軍事等領(lǐng)域。

根據(jù)工藝的發(fā)展和市場的需要,將核心部分功率MOSFET和低壓PWM控制器集成在一塊芯片中。同時,還具有過熱保護、過壓保護、欠壓鎖定、自動重啟動、過流保護等功能。這種新型的開關(guān)電源集成電路給電源系統(tǒng)帶來了很多優(yōu)勢。該芯片交流輸入可直接從電網(wǎng)接入,應用功耗低,成本低,體積小,同時還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低了成本,使電子工程師的設(shè)計更加簡單。該芯片可用于驅(qū)動一個單端接地電源系統(tǒng),如接一個振蕩回掃的二次線圈變壓器后輸出一直流電壓。

2 工作原理

此開關(guān)電源為一中頻集成模塊,設(shè)計頻率為 100kHz,最大占空比為70%,它包括一個恒頻脈寬調(diào)制器和一個高集成度電源開關(guān)電路,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個組合開關(guān)的高壓側(cè)可對從85~265V的交流電壓進行連續(xù)控制,可以應用于多數(shù)常規(guī)電源系統(tǒng)。

通過一個光電耦合管,將負載變化情況反饋到芯片內(nèi)部,反饋信號在2.7k的電阻上產(chǎn)生電壓降,經(jīng)過7kHz的低通濾波器,把高頻開關(guān)噪音濾掉,以直流電壓形式輸入到PWM模塊進行調(diào)節(jié),產(chǎn)生占空比隨反饋信號變化的脈沖波,通過驅(qū)動電路驅(qū)動功率MOSFET,從而實現(xiàn)了PWM的調(diào)節(jié)。除此之外,功率MOSFET的源極接一電阻,來實現(xiàn)每周期的限流保護。

正常情況下,1/8分頻器輸出信號使得功率 MOSFET導通,若故障發(fā)生,它的輸出信號使得功率MOSFET關(guān)斷,并且它自身開始計數(shù),第1 個周期,功率MOSFET導通。若沒有排除,以此規(guī)律循環(huán)下去;若故障排除,則進入正常工作狀態(tài)。該IC外接變壓器,實現(xiàn)AC-DC功能后,不同規(guī)格的變壓器可獲得不同的直流電壓。

3 內(nèi)部功能模塊介紹

3.1 振蕩器電路

如圖2所示,該振蕩器利用兩個比較器輪流導通,對電容進行充放電,獲得了在電壓在2.7~4.1V震蕩的鋸齒波。其設(shè)計頻率為100kHz,占空比為 70%。對電容充放電時,利用MOS管飽和區(qū)工作電流恒定的原理,實現(xiàn)恒流充放電。其等效簡化電路模型如圖3所示。充電時,開關(guān)S合到3端,可得

DQ=DU×C (1)

且DU=4.1-2.7=1.4v (3)

式中,C = 40pF, IP=18.6mA,可以計算出T P=3ms。 放電時,開關(guān)S打到8端,可得

&

nbsp; 式中,IN=8mA,可以計算出 TN =7ms。

T=Tp+T N=10ms (5)

占空比的設(shè)計也是需要考慮的,當占空比提高后,整個IC及外接電路構(gòu)成的電源效率都會提高。

但是又不能無限的提高,使之接近100%,這主要是變壓器磁通的建立和恢復是有時間限制的。同時,長時間的導通,功率MOSFET容易燒壞。

3.2 偏置電路

該電路采用三管能隙基準電源,如圖4所示。 T2的發(fā)射極電壓如式(6)所示。由公式可知,利用等效熱電壓 Vt的正溫度系數(shù)和Vbe 的負溫度系數(shù)相互補償,可使輸出基準電壓的溫度系數(shù)接近為零 (由于T6和T2的Vbe相同,所以輸出電壓 Vref和T2發(fā)射極電壓相同)。

3.3 PWM調(diào)制電路

由光耦管耦合過來的反應負載變化情況的信號首先經(jīng)過一個7kHz的低通濾波器,然后送到PWM比較器和振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進行比較,從而實現(xiàn)脈寬調(diào)制。該低通濾波器的頻率響應為

可作為設(shè)計參數(shù)使用。

3.4 過壓保護,欠壓鎖定電路

設(shè)計的內(nèi)部電路工作電壓環(huán)境為7.5~8.6V,該電路如圖5所示,由比較器C1,C2和電阻R1 、R2、R3、R 4組成。由于遲滯比較器的作用,當Vcc 處于7.5~8.6V時,IC正常運行。當Vcc >8.6V時,C1輸出高電平,直接使放電NMOS管導通,進行放電。該NMOS管設(shè)計得比較大,這樣可以迅速地放電,使IC及時地回到安全狀態(tài)。若該 Vcc故障仍然存在,將用八分頻計數(shù)器來計數(shù)。這個八分頻計數(shù)器使得功率MOSFET關(guān)閉,電容將在8個連續(xù)周期內(nèi)反復充放電,8個周期后,若故障排除,整個IC進入正常工作狀態(tài),功率MOSFET開通。這種設(shè)計可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當內(nèi)部工作電壓Vcc<7.5V時,C1輸出一低電平,關(guān)閉驅(qū)動,同時驅(qū)動高壓啟動電路,對外接10μF電容進行充電。同時,該低電平也送入計數(shù)器計數(shù),這樣便實現(xiàn)了自啟動功能。一般說來Vcc <7.5V,是由負載短路或過載引起電源變壓器的附加線圈輸出電壓失落,沒有足夠的電壓對芯片供電所致。

3.5 熱關(guān)斷電路

熱關(guān)斷電路如圖6所示。正常情況下T =25℃,Vz=6.3V,V BE1=0.75V,VBEH=0.65V,此時 VH = R3 ( Vz -VBE1) / (R2+R3)=0.43V< VBEH

故Q1不導通,從而Vout 為高電平。

故障狀態(tài),穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)為正,而晶體管的VBE 為負溫度系數(shù)。設(shè)計的溫度保護能力(當T=150℃)為

同樣計算可得VH(150℃)=0.46V,這樣Q 2 導通,Vout為低電平。此信號直接關(guān)斷功率MOSFET。同時這個脈沖信號也輸入到1/8分頻器,做計數(shù)用。

3.6 高壓啟動電路

高壓啟動電路如圖7所示,當IC上電后,整個IC處于建立工作環(huán)境的狀態(tài)。VDMOS的柵極為高電平,則該管導通,Out端有充電電流。當 Vcc達到8.6V時,過壓保護電路送來信號 Vstart為一低電平,使得P2導通,這樣VDMOS截止。另外 R1的作用是充電電流過大時,使P1、Q1導通,使

VDMOS截止,起到保護作用。此充電電流能力設(shè)計值為3mA,超過該值,VDMOS就會截至。根據(jù)計算,整個IC建立工作環(huán)境所需的時間為40ms,與實際仿真結(jié)果相符。

3.7 驅(qū)動電路

設(shè)計驅(qū)動電路的目的是為了去除驅(qū)動信號的毛刺和對功率MOSFET的柵極起保護作用(圖8)。正常時,N1、N2、N3都處于截止狀態(tài)。當電路內(nèi)部電源電壓Vcc由低電平突然變?yōu)楦唠娖綍r,電容C兩端電壓不能突變,這樣N1導通,使輸出為0。另外當IC突然上電時,由于功率MOSFET的柵漏電容的存在,使柵極的電壓為高電平,但是由于設(shè)計中加了電阻 R和N3的存在,對柵極構(gòu)成旁路,起到保護作用。最后就是如果IC突然斷電時,則功率管漏極沒有大電流供給。如果此時驅(qū)動為高電平,則可以從 R上卸流,最終使低電平變低。總之,N1、N2、N3對功率MOSFET 的柵極起保護作用。

3.8 前沿消隱電路

前沿消隱電路如圖9所示。正常時,A點電壓較低,2管導通,則C2輸出為高電平;故障時,也就是功率MOSFET的電流過大時,A點電位升高,使得2管關(guān)閉,這樣C2輸出為低電平,出現(xiàn)故障脈沖。值得一提的是,2管的柵極輸入信號和它的源極輸入信號不是同步的,這樣設(shè)計的好處是可以避免短暫時間內(nèi)電流過大的情況。若電流一直很大,則可以發(fā)揮前沿消隱作用。這兩個信號的延時大小由幾級反相器和電容構(gòu)成,其中以電容的貢獻最大,其設(shè)計延時時間為200ns。

4 仿真結(jié)果

仿真過程中,著重對正常運行、過壓、欠壓、過流、過載等情況做了分析。圖10中模擬了負載變化時功率MOSFET輸出的變化情況。最下面一條波形為負載情況經(jīng)過光耦合和低通濾波器后的電壓,中間一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號,最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅(qū)動電壓信號?？梢钥闯?由于充電,Vcc不斷增加達到8.6V時便不再增加(過壓保護電路起作用),IC開始工作。當負載逐漸變小時,引起反饋電壓升高,使得反饋到IC的信號增大,其功率MOSFET柵極的驅(qū)動電壓的占空比減少,最終為0。

圖11中模擬了IC內(nèi)部電壓發(fā)生異常時的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅(qū)動電壓,中間一條波形為自動重啟動電路的工作信號(Vstart),最上面一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號?？梢钥闯?當Vcc 上升到8.5V時,自動重啟動電路關(guān)閉,同時計數(shù)器開始計數(shù),這時功率MOSFET 還處于工作狀態(tài)。當Vcc 降低到7.5V時,自動重啟動電路開始工作,對外接10μF電容進行充電。這樣反復進行8次,在第九個周期時,功率MOSFET再次工作,符合最初的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種適用于便攜式設(shè)備的功率開關(guān)電源的IC,通過對其功能及特性的分析,設(shè)計了各個子模塊的電路,并對其進行了模擬仿真。結(jié)果表明,負荷調(diào)節(jié)靈敏、精確,各種保護電路動作及時可靠。