單片開關(guān)電源的發(fā)展及其應(yīng)用

單片開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)、能構(gòu)成高效率無(wú)工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點(diǎn)。它于90年代中、后期相繼問(wèn)世后,便顯示出強(qiáng)大的生命力,目前它成為國(guó)際上開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源,在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng),而電源效率顯著提高,體積和重量則大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及,創(chuàng)造了良好條件。  

    1 集成開關(guān)電源的發(fā)展簡(jiǎn)況 

    開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源,它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向,現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。近20多年來(lái),集成開關(guān)電源沿著下述兩個(gè)方向不斷發(fā)展。第一個(gè)方向是對(duì)開關(guān)電源的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1997年國(guó)外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集成電路,美國(guó)摩托羅拉公司、硅通用公司(Silicon General)、尤尼特德公司(Unitrode)等相繼推出一批PWM芯片,典型產(chǎn)品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來(lái),國(guó)外又研制出開關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調(diào)制)芯片,典型產(chǎn)品如UC1825、UC1864。第二個(gè)方向則是對(duì)中,小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。這大致分兩個(gè)階段:80年代初意-法半導(dǎo)體有限公司(SGS-Thomson)率先推出L4960系列單片開關(guān)式穩(wěn)壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點(diǎn)是將脈寬調(diào)制器、功率輸出級(jí)、保護(hù)電路等集成在一個(gè)芯片中,使用時(shí)需配工頻變壓器與電網(wǎng)隔離,適于制作低壓輸出(5.1~40V)、大中功率(400W以下)、大電流(1.5A~10A)、高效率(可超過(guò)90%)的開關(guān)電源。但從本質(zhì)上講,它仍屬DC/DC電源變換器。 

    1994年,美國(guó)動(dòng)力(Power)公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開關(guān)電源,被人們譽(yù)為“頂級(jí)開關(guān)電源”。其第一代產(chǎn)品為TOPSwitch系列,第二代產(chǎn)品則是1997年問(wèn)世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價(jià)格的四端單片開關(guān)電源TinySwitch系列。在這之后,Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關(guān)電源,亦稱高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器(HighVoltage Power Switching Regulator)。目前,單片開關(guān)電源已形成四大系列、近70種型號(hào)的產(chǎn)品。  

    2 TOPSwitch-11系列三端單片開關(guān)電源  

    根據(jù)封裝形式,TOPSwitch-II可劃分成三種類型:TOP221Y~227Y(TO-220封裝),TOP221P~224P(DIP-8封裝),TOP221G~224G(SMD-8封裝),產(chǎn)品分類詳見(jiàn)表1。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。  

    2.1 TOPSwitch-11的性能特點(diǎn)  

    (1)  TOPSWitch-II內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、門電路、高壓功率開關(guān)管(MOSFET)、偏置電路、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路、關(guān)斷/自動(dòng)重啟動(dòng)電路。它通過(guò)高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關(guān)電源。由于采用CMOS電路,使器件功耗顯著降低。  

    (2)  只有三個(gè)引出端:控制端C、源極S、漏極D,可同三端線性穩(wěn)壓器相媲美,能以最簡(jiǎn)方式構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的反激式開關(guān)電源。為完成多種控制、偏置及保護(hù)功能,C、D均屬多功能引出端,實(shí)現(xiàn)了一腳多用。以控制端為例,它具有三項(xiàng)功能:①該端電壓VC為片內(nèi)并聯(lián)調(diào)整器和門驅(qū)動(dòng)級(jí)提供偏壓;②該端電流IC能調(diào)節(jié)占空比;③該端還作為電源支路與自動(dòng)重啟動(dòng)/補(bǔ)償電容的連接點(diǎn),通過(guò)外接旁路電容來(lái)決定自動(dòng)重啟動(dòng)的頻率,并對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。 

    (3)  輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時(shí)可選220V±15%交流電,若配85~265V寬范圍變化的交流電,最大輸出功率要降低40%。開關(guān)電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。   

    (4)  開關(guān)頻率典型值為100KHz,占空比調(diào)節(jié)范圍是1.7%~67%。電源效率為80%左右,最高可達(dá)90%,比線性集成穩(wěn)壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0~70℃芯片最高結(jié)溫Tjm=135℃。 

    (5)  TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來(lái)調(diào)節(jié)占空比D,達(dá)到穩(wěn)壓目的。舉例說(shuō)明,當(dāng)由于某種原因致使開關(guān)電源的輸出電壓VOT時(shí),經(jīng)過(guò)光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓,使Vo保持不變。反之亦然。   

    (6)  外圍電路簡(jiǎn)單,成本低廉。外部?jī)H需接整流濾波器、高頻變壓器、初級(jí)保護(hù)電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。  

    2.2 典型應(yīng)用  

    TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動(dòng)電話、電視機(jī)、VCD和DVD、攝錄像機(jī)、電池充電器、功率放大器等領(lǐng)域,并能構(gòu)成各種小型化、高密度、低成本的開關(guān)電源模塊。此外,它還適合構(gòu)成后備式開關(guān)電源,非隔離式開關(guān)電源、恒流恒壓輸出開關(guān)電源,供無(wú)線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調(diào)節(jié)器、功率因數(shù)補(bǔ)償器等。  

    2.3 電路設(shè)計(jì)要求   

    (1) TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設(shè)計(jì)精密開關(guān)電源時(shí),還應(yīng)增加一片TL431型可調(diào)式精密關(guān)聯(lián)穩(wěn)壓器,由它構(gòu)成外部誤差放大器,來(lái)代替取樣電路中的穩(wěn)壓管。精密開關(guān)電源的電壓調(diào)整率Sv、電流調(diào)整率Sl均可達(dá)±0.2%左右,接近于線性集成穩(wěn)壓電源的指標(biāo)。  
(2) 應(yīng)選用電流傳輸比(CTR)能線性變化的光電耦合器,如PC817A,NEC2501、6N137等型號(hào),不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差,傳輸模擬信號(hào)時(shí)會(huì)造成失真,影響開關(guān)電源的穩(wěn)壓性能。   

    (3) 高頻變壓器的初級(jí)必須設(shè)置保護(hù)電路,用以吸收漏感引起的尖峰電壓,確保MOSFET不被損壞。這種保護(hù)電路應(yīng)并聯(lián)在初級(jí)上,具體有4種設(shè)計(jì)方案:①由瞬變電壓抑制二極管(TVS)和超快恢復(fù)二極管(SRD)組成鉗位電路;②由TVS與硅整流管(VD)構(gòu)成的鉗位電路;③由阻容元件與SRD構(gòu)成的吸收電路;④由阻容件與VD構(gòu)成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳,能充分發(fā)揮TVS響應(yīng)速度極快、可承受高能量瞬態(tài)脈沖之優(yōu)點(diǎn)。方案②次之。  

    (4) 使用芯片時(shí)需加合適的散熱器。對(duì)于TO-220封裝,可直接裝在小散板上。對(duì)于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個(gè)源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。  

    (5) 為抑制從電網(wǎng)引入的干擾,也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾向外部傳輸,需在電源進(jìn)線端增加一級(jí)電磁干擾濾波器(EMI filter)亦稱電源噪聲濾波器(PNF)。   

    (6) 使用此類芯片時(shí),源極引線要盡量短。為使空載或輕載時(shí)輸出電壓穩(wěn)定,應(yīng)在穩(wěn)壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負(fù)載,亦可并聯(lián)一只穩(wěn)壓管。  

    3 TinySwitch系列四端開關(guān)電源 

    TinySwitch是Power公司新推出的一種高效、小功率四端單片開關(guān)電源。因所構(gòu)成開關(guān)電源的體積很小,故稱TinySwitch微型開關(guān) 系列。它比三端單片開關(guān)電源增加一個(gè)使能端,使用更加方便靈活。TinySwitch系列性優(yōu)價(jià)廉,外圍電路非常簡(jiǎn)單,特別適合制作10W以下的微型開關(guān)電源或待機(jī)電源,是取代效率低、體積較大的小功率線性穩(wěn)壓電源的理想產(chǎn)品。  

    3.1TinySwitch的性能特點(diǎn)   

    (1) TinySwitch有DIP-8、SMD-8兩種封裝形式、6種型號(hào)。產(chǎn)品分類見(jiàn)表2。盡管采用8腳封裝,實(shí)際上只有四個(gè)腳:S、D、BP(相當(dāng)于控制端)、EN(使能端),因此等效于四端器件。利用使能端可從外部關(guān)斷MOSFET,并且在快速上電時(shí)輸出電壓無(wú)過(guò)沖現(xiàn)象、掉電時(shí)MOSFET也無(wú)頻率倍增現(xiàn)象。   

    (2) 高效、小功率輸出。選220V交流電源時(shí),其空載功耗低于60mW。它適宜制作0~10W的小功率、低成本開關(guān)電源,比線性穩(wěn)壓電源大約可節(jié)電38%。   

    (3) 采用開/關(guān)控制器來(lái)代替PWM對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。開/關(guān)控制器可等效為脈沖頻率調(diào)制器(PFM),其調(diào)節(jié)速度比普通的PWM更快,對(duì)紋波抑制能力更強(qiáng)。   

    (4) 與TOPSwitch-II相比,它在電路設(shè)計(jì)上頗具特色。第一,交流輸入端可省掉EMI濾波器;第二,初級(jí)保護(hù)電路不需使用TVS,僅用RC電路即可吸收尖峰電壓;第三,不用反饋線圈及相關(guān)電路,也不加回路補(bǔ)償元件;第四,芯片內(nèi)部增加了使能檢測(cè)與邏輯電路。  

    3.2TinySwitch的應(yīng)用  

    該系列產(chǎn)品適合制作手機(jī)電池恒壓恒流充電器、IC卡付費(fèi)電度表中的小型開關(guān)電源模塊,以及微機(jī)、彩電、攝錄像機(jī)等高檔家用電器中的待機(jī)電源。例如,目前生產(chǎn)的大屏幕彩電均具有待機(jī)功能,使用遙控器關(guān)閉電源之后,即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)彩電中開關(guān)電源的功率開關(guān)管呈關(guān)斷狀態(tài),改由待機(jī)電路繼續(xù)給CPU供電,使整機(jī)功耗降至最低。由TNY253P可構(gòu)成5V、1.3W的彩電待機(jī)電源。它利用彩電主電源產(chǎn)生的直流高壓作輸入電壓,的允許范圍是120~375V(視彩電型號(hào)而定),而Vo=+5V。使用一片TNY255P則可構(gòu)成PC機(jī)的5V、2A待機(jī)電源。由TNY254P構(gòu)成的+6.7V、3.6W手機(jī)電池恒壓、恒流充電器,能在85~265V交流輸入電壓范圍內(nèi),對(duì)6V鎳氫(NIMH)電池充電。此外,TinySwitch還適合制作小型家電(如隨身聽)的適配器(adapter),將220V交流電源變成所需直流穩(wěn)壓電源。這種適配器不僅沒(méi)有笨重的變壓器,而且效率高、體積小、穩(wěn)壓性能好,能完全取代目前市售的各種插頭式AC/DC變換器。  

    4 MC33370系列五端單片開關(guān)電源  

    MC33370系列包括MC33369~MC33374五種規(guī)格、17種型號(hào)。以TO-220五腳直彎式封裝為例,其產(chǎn)品分類見(jiàn)表3。表中的RDS(ON)表示漏-源極導(dǎo)通電阻,ID(PK)代表漏極峰值電流。  

    1 MC33370的性能特點(diǎn)  

    (1) 它比TOPSwitch-II增加了電源端(Vcc)和狀態(tài)控制器的輸入端(State Control input);芯片內(nèi)部增加了欠壓鎖定比較器、外部關(guān)斷電路和可編程狀態(tài)控制器。其性價(jià)比要優(yōu)于TOPSwitch-II,而外圍電路更趨簡(jiǎn)單。   

    (2) 利用可編程狀態(tài)控制器及外部模式選擇電路,能實(shí)現(xiàn)多種控制方式(包括手動(dòng)控制、由微控制器MCU操作、數(shù)字電路控制、禁止操作等),實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)與備用狀態(tài)的互相切換。  

    (3) 內(nèi)部集成了一只被稱為“敏感場(chǎng)效應(yīng)管(Sense FET)”的電流傳感式功率開關(guān)管,用它能無(wú)功率損耗地實(shí)時(shí)檢測(cè)漏極電流ID的大小,進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。   

    (4) 當(dāng)交流電源為固定值或變化率不超過(guò)±20%時(shí),允許去掉高頻變壓器的反饋線圈以及相關(guān)的高頻濾波電路。這有助于進(jìn)一步簡(jiǎn)化外圍電路,降低開關(guān)電源的成本。為滿足特殊應(yīng)用的需要,還可給開關(guān)電源增加軟啟動(dòng)功能。  

    (5) 電源效率高。由它構(gòu)成開關(guān)電源或電源模塊的效率可達(dá)80%以上。在備用狀態(tài)下靜態(tài)功耗低至幾十至幾百毫瓦。   

    (6) 占空比調(diào)節(jié)范圍更寬,可達(dá)0.1~74%。脈寬調(diào)制增益的典型值為-14%/mA。芯片的工作結(jié)溫是-40~150℃,過(guò)熱保護(hù)溫度定為157℃(TOPSwitch-II僅為135℃)。  

    4.2 MC33370的應(yīng)用  

    MC33370系列可廣泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無(wú)線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,構(gòu)成高壓隔離式AC/DC電源變換器。在作特殊應(yīng)用時(shí),還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復(fù)二極管、濾波電容,改用穩(wěn)壓管或雙極型晶體管、MOS管來(lái)進(jìn)行串聯(lián)調(diào)整。此外,利用這種芯片還能制作高壓步進(jìn)電源。

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