智能功率开关电源IC设计

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1、智能功率开关电源IC设计1引言开关电源是近几年电源市场的焦点之一，它最大的优点是大幅度缩小变压器的体积和重量，这样就缩小了整个系统的体积和重量。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。所以开关电源对低档的线性电源，尤其是20W以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势。但是传统的开关电源除了PWM和功率MOSFET之外还包括50个左右的分立元件，这不但增加了成本、体积，而且还使可靠性受到了影响。这主要是生产工艺上的原因，开关电源在集成化上一直没有突破。近几年，随着生产工艺技术的成熟，已经

2、能将低压控制单元和高压大功率管集成到同一块芯片之中。TI、ONSemiconductor、Power、Integrations等公司都已经有类似的产品，而国内则几乎是一片空白。由于开关电源在体积、重量、效率以及可靠性上的优势，它的研究和发展速度是惊人的。其主要应用领域有：①邮电通信：作程控交换机、移动通信基站电源；②计算机：作为各种PC机、服务器、工业控制机的开关电源；③家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等；④其他行业：如电力、航天、军事等领域。根据工艺的发展和市场的需要，将核心部分功率MOSFET

3、和低压PWM控制器集成在一块芯片中。同时，还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启动、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。该芯片交流输入可直接从电网接入，应用功耗低，成本低，体积小，同时还提高了系统的稳定性，降低了成本，使电子工程师的设计更加简单。该芯片可用于驱动一个单端接地电源系统，如接一个振荡回扫的二次线圈变压器后输出一直流电压。2工作原理此开关电源为一中频集成模块，设计频率为100kHz，最大占空比为70％，它包括一个恒频脉宽调制器和一个高集成度电源开关电路，其结构如图1所示。这个组

4、合开关的高压侧可对从85~265V的交流电压进行连续控制，可以应用于多数常规电源系统。通过一个光电耦合管，将负载变化情况反馈到芯片内部，反馈信号在2.7k的电阻上产生电压降，经过7kHz的低通滤波器，把高频开关噪音滤掉，以直流电压形式输入到PWM模块进行调节，产生占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动功率MOSFET，从而实现了PWM的调节。除此之外，功率MOSFET的源极接一电阻，来实现每周期的限流保护[1]。正常情况下，1/8分频器输出信号使得功率MOSFET导通，若故障发生，它的输出信号使得功率MOSFET关断

5、，并且它自身开始计数，第1个周期，功率MOSFET导通。若没有排除，以此规律循环下去；若故障排除，则进入正常工作状态。该IC外接变压器，实现AC-DC功能后，不同规格的变压器可获得不同的直流电压。3内部功能模块介绍3.1振荡器电路振荡器利用两个比较器轮流导通，对电容进行充放电，获得了在电压在2.7~4.1V震荡的锯齿波。其设计频率为100kHz，占空比为70%。对电容充放电时，利用MOS管饱和区工作电流恒定的原理，实现恒流充放电。其等效简化电路模型如图3所示。充电时，开关S合到3端，可得DQ=DU×C(1)(2)且DU=4.

6、1-2.7=1.4v(3)式中，C=40pF,IP=18.6mA，可以计算出TP=3ms。放电时，开关S打到8端，可得(4)式中，IN=8mA，可以计算出TN=7ms。T=Tp+TN=10ms(5)占空比的设计也是需要考虑的，当占空比提高后，整个IC及外接电路构成的电源效率都会提高。但是又不能无限的提高，使之接近100％，这主要是变压器磁通的建立和恢复是有时间限制的。同时，长时间的导通，功率MOSFET容易烧坏。3.2偏置电路该电路采用三管能隙基准电源，如图4所示。T2的发射极电压如式(6)所示。由公式可知，利用等效热电压V

7、t的正温度系数和Vbe的负温度系数相互补偿，可使输出基准电压的温度系数接近为零（由于T6和T2的Vbe相同，所以输出电压Vref和T2发射极电压相同）[2]。3.3PWM调制电路由光耦管耦合过来的反应负载变化情况的信号首先经过一个7kHz的低通滤波器，然后送到PWM比较器和振荡器产生的锯齿波进行比较，从而实现脉宽调制。该低通滤波器的频率响应为式中，则可以推得RPC＝22.74×10-6，可作为设计参数使用[3]。3.4过压保护，欠压锁定电路设计的内部电路工作电压环境为7.5~8.6V，该电路如图5所示，由比较器C1，C2和电

8、阻R1、R2、R3、R4组成。由于迟滞比较器的作用，当Vcc处于7.5~8.6V时，IC正常运行。当Vcc>8.6V时，C1输出高电平，直接使放电NMOS管导通，进行放电。该NMOS管设计得比较大，这样可以迅速地放电，使IC及时地回到安全状态。若该Vcc故障仍然存在，将用八分频计数器来计数