離線開關(guān)電源設(shè)計(jì)淺析

    開關(guān)電源(Switched mode power supplies, SMPS）由于在體積、重量和效率等多方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信和家用電器等領(lǐng)域。電視、機(jī)頂盒和錄像機(jī)等家電設(shè)備大都在使用這種電源，用于手機(jī)、PDA甚至電動(dòng)牙刷的許多電池充電器也在使用開關(guān)電源，因?yàn)樗鼈兙邆鋫鹘y(tǒng)線性電源所沒有的優(yōu)勢(shì)。通常，如果需要一個(gè)DC輸出，最簡(jiǎn)單的解決方式是使用一個(gè)線性電源，即包括一個(gè)變壓器、一個(gè)整流器和平滑濾波電容器。有時(shí)需要一個(gè)線性調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出，但對(duì)于簡(jiǎn)單的電池充電等應(yīng)用，是不需要的。線性電源的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單、成本低，而SMPS比較復(fù)雜，成本高。一直到最近幾年，線性電源曾被普遍采用，不可否認(rèn)，線性電源比起SMPS仍具有一些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是差距在逐步縮小。
　　盡管SMPS布局多種多樣，但最常見的是回掃變換器。輸入電壓首先被整流、平滑，然后經(jīng)過變壓器和初級(jí)開關(guān)，初級(jí)控制器根據(jù)來自次級(jí)的反饋信號(hào)改變占空因數(shù)。一個(gè)未隔離的變壓器，有時(shí)也可用一電感器。隔離設(shè)計(jì)在離線應(yīng)用中比較常見，變壓器需要提供隔離并有一個(gè)合適的占空因數(shù)?；貟逽MPS有兩種工作方式：連續(xù)性和非連續(xù)性傳導(dǎo)，是一非連續(xù)性傳導(dǎo)模式，其中Ilm和Vlm分別為變壓器磁電感的電流和電壓。在開關(guān)接通時(shí)，電壓被加到變壓器的初級(jí)，此時(shí)，次級(jí)二極管是斷開的，變壓器相當(dāng)于一個(gè)電感器，電流只流經(jīng)初級(jí)線圈，并將能量以磁通量的形式儲(chǔ)存于線圈內(nèi)；在開關(guān)斷開后，次級(jí)二極管接通，電流通過次級(jí)線圈，能量被轉(zhuǎn)換到次級(jí)大容量電容器，磁感應(yīng)電流逐漸減小到零，因此是一非連續(xù)傳導(dǎo)模式。如果磁感應(yīng)電流沒有減小到零，即為連續(xù)傳導(dǎo)模式。
　　上述兩種模式各具特點(diǎn)，可供設(shè)計(jì)者選擇使用。可以使一個(gè)設(shè)計(jì)以大負(fù)載工作在連續(xù)模式或以小負(fù)載工作在非連續(xù)模式。同樣有兩種控制模式：電壓和電流型。在電壓模式，次級(jí)電壓被反饋回來直接控制占空因數(shù)；而在電流模式，次級(jí)電壓被反饋回來控制最大開關(guān)電流。換句話說，控制IC的脈沖寬度調(diào)制（PWM）部分接通電路，在電流達(dá)到由反饋信號(hào)設(shè)定的限定值后，斷開電路。 過去，多數(shù)SMPS系統(tǒng)使用非連續(xù)控制器IC和開關(guān)（通常是場(chǎng)效應(yīng)管FET）?，F(xiàn)在，通過使用Fairchild公司的Power Switch系列集成控制器，可得到非常明顯的優(yōu)勢(shì)。為適合各種不同功率檔次和應(yīng)用的設(shè)計(jì)，器件通?？煞譃閮深悾弘p片和單片。雙片型包括一個(gè)控制器電路芯片和一個(gè)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）芯片，而單片型只包括一塊電路，用BCDMOS工藝制造。在BCDMOS工藝下生產(chǎn)的高壓（HV）功率MOSFET比起優(yōu)化MOSFET生產(chǎn)工藝受到更多條件的限制。一般來說，在BCDMOS工藝下單位面積硅的Rdson值要大很多。但是，單片解決方案成本較低，在低功率應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。因此，最好是在高功率時(shí)選擇雙片，而在低功率時(shí)選擇單片，功率界限在15～20W，此范圍內(nèi)Fairchild兩種類型的方案都可選用。
　　一個(gè)以FairchildK A5M0365R為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，大約20W的通用SMPS實(shí)際電路圖，所用的為一雙片器件，具體參數(shù)為：
　　輸入電壓：85～265VAC；開關(guān)頻率：66KHz；
　　輸出：3.3V,1.2A；5V,1.5A； 9V,0.5A； 33V,0.1A；
　　內(nèi)置MOSFET工作在3A，650V，實(shí)際上并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的MOSFET，而是一個(gè)Sense MOSFET，大約1%的源區(qū)被隔離出來用做次級(jí)感測(cè)源。1%的漏電流來自感測(cè)源，流經(jīng)一個(gè)集成電阻，這樣就可以精確測(cè)量電流，同時(shí)避免了在外部感測(cè)電阻的損耗。從輸入開始，首先是一個(gè)用于抑制EMI的濾波器，然后是一個(gè)橋式整流器，NTC電阻和平滑電容。NTC電阻用來避免電路接通時(shí)的浪涌電流。在開始加電時(shí)，器件處于待機(jī)狀態(tài)，只有很小的電流，Vcc上的電容器被充電，一旦達(dá)到欠壓鎖定上限值15V，開始接通電路，電流增加，Vcc下降。但是只要Vcc上的電容足夠大，電壓值Vcc會(huì)一直保持在欠壓鎖定值下限之上。正常運(yùn)行時(shí)的功率由第三級(jí)繞組提供。
　　變壓器初級(jí)連接有緩沖器電路，確保變壓器漏電感所產(chǎn)生的尖峰電壓不至于引起開關(guān)漏電壓超過其擊穿電壓。如果它被擊穿，器件雪崩，這樣會(huì)消耗更多的功率，從而不再需要昂貴的齊納二極管型緩沖電路。
　　Sense離線電源必須滿足特定的安全標(biāo)準(zhǔn)，所示的設(shè)計(jì)，由于控制器的獨(dú)有特性而得到有效的保護(hù)：過載保護(hù)(自動(dòng)重起)；過壓保護(hù)(自動(dòng)重起)；過流保護(hù)(被鎖定）；低壓保護(hù)(自動(dòng)重起)；高溫保護(hù)(自動(dòng)重起)。
　　如果電源過載，但沒有短路，輸出會(huì)減弱，此時(shí)反饋電壓升高，從而增大占空因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。由于初級(jí)電流是有限的，所能變換的最大功率也是有限的，反饋電壓會(huì)繼續(xù)升高，到達(dá)閾值時(shí)，器件斷開。過載保護(hù)是時(shí)間延遲型以避免負(fù)載上的暫態(tài)引起的誤觸發(fā)。如果在反饋回路中出現(xiàn)開路錯(cuò)誤，反饋腳電壓會(huì)升高，引起占空因數(shù)增大，輸出電壓會(huì)因此升高，Vcc腳電壓也會(huì)增大，Vcc在達(dá)到保護(hù)閾值時(shí)，器件關(guān)斷，避免對(duì)次級(jí)造成損壞。如果在反饋回路中出現(xiàn)短路錯(cuò)誤，反饋腳被拉到地，器件也會(huì)關(guān)斷。如果次級(jí)整流器短路，或負(fù)載短路，在開關(guān)接通后馬上會(huì)有大電流通過，這樣可造成電路損壞。因此，器件在開關(guān)接通后極短的時(shí)間內(nèi)即測(cè)得電流值，如果大于閾值，器件關(guān)斷。如果器件進(jìn)行自動(dòng)重起，這種保護(hù)可被鎖定避免重復(fù)電應(yīng)力。
　　低功率電源在使用如FSDH0165和FSDH565等單片時(shí)很有益處，這些單片包括單一硅片上制造的控制器和SenseFET。一實(shí)際應(yīng)用電路圖，這里沒有啟動(dòng)電阻，由于器件是采用BCDMOS技術(shù)生產(chǎn)，因此可以將高壓(HV)整流線直接連接到器件本身。啟動(dòng)和雙片很類似，不同點(diǎn)在于在給Vcc上的電容充電時(shí)采用內(nèi)置電流源。一旦Vcc腳電壓達(dá)到欠壓閾值，器件啟動(dòng)，電流源被斷開，因此在正常、高效工作時(shí)不會(huì)從線路吸取能量。
　　為一較高功率的電源，它和前一個(gè)系統(tǒng)很相似，但是工作在準(zhǔn)共振模式下。Lm不是斷開的，而是變壓器的一部分。在這種模式下，開關(guān)頻率依賴于輸入電壓和負(fù)載的大小，在低輸入電壓和高負(fù)載時(shí)，頻率較低，反之在高輸入電壓和小負(fù)載時(shí)，頻率較高，限制因素是最大開關(guān)頻率150KHz。在輸入電壓最大時(shí)，由于頻率不能超過此值，因此對(duì)負(fù)載有一定的限制。準(zhǔn)共振模式的優(yōu)勢(shì)在于其低EMI和較高的效率。
　　沒有前面所用的傳統(tǒng)RCD緩沖電路，取而代之的是將一小電容并聯(lián)在開關(guān)上，Power Switch有額外的接線腳，即Sync腳，用來導(dǎo)通Sense FET。在次級(jí)二極管斷開之前，系統(tǒng)的工作過程大致和非連續(xù)電流回掃型相同。在此之后，開關(guān)的漏極開始以串聯(lián)電容和初級(jí)電感決定的頻率振蕩。Sync腳電壓開始衰減，當(dāng)Sync 腳電壓低于一閾值時(shí)，開關(guān)重新接通。Sync 腳電壓分量是經(jīng)過選擇的，在其值達(dá)到電壓閾值時(shí)，漏極電壓在最低點(diǎn)。該系統(tǒng)是軟開關(guān)，因此有最低的EMI，而且由于漏極電壓最小，開關(guān)損耗也最小。
　　迄今為止一個(gè)未被討論的重要因素是功率因數(shù)校正(PFC），這在一些地區(qū)非常重要，因?yàn)楫?dāng)?shù)氐姆梢?guī)定，功率超過75W的所有設(shè)備都要進(jìn)行功率因數(shù)校正。從比較簡(jiǎn)單的無源解決方案到比較復(fù)雜但相對(duì)較好的有源解決方案，有幾種方案可以使用。將來的技術(shù)改進(jìn)也許會(huì)集中于此。將PFC和PWM SMPS控制器集成到單一器件的解決方案已經(jīng)具備了技術(shù)和成本方面的優(yōu)勢(shì)。Fairchild的ML4803即是這樣一個(gè)小的8引腳封裝器件，在此之前，許多人都認(rèn)為這是不可能的。
　　其實(shí)設(shè)計(jì)一離線SMPS并不象初看上去那樣可怕，通過使用這些適合不同應(yīng)用、不同功率范圍的種類繁多的器件，以及相應(yīng)的技術(shù)支持，設(shè)計(jì)這種離線SMPS已非常容易。