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智能功率開關電源IC設計

鉅大LARGE  |  點擊量:1133次  |  2020年05月15日  

1引言開關電源是近幾年電源市場的焦點之一,它最大的優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的體積和重量。一般說來,開關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。所以開關電源對低檔的線性電源,尤其是20W以下的線性電源構成了威脅,大有取而代之之勢。但是傳統的開關電源除了pWM和功率MOSFET之外還包括50個左右的分立元件,這不但新增了成本、體積,而且還使可靠性受到了影響。這重要是生產工藝上的原因,開關電源在集成化上一直沒有突破。


近幾年,隨著生產工藝技術的成熟,已經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、ONSemIConductor、power、Integrations等公司都已經有類似的產品,而國內則幾乎是一片空白。由于開關電源在體積、重量、效率以及可靠性上的優勢,它的研究和發展速度是驚人的。


其重要應用領域有: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、工業控制機的開關電源;③家用電子產品:目前使用開關電源的家用電子產品有電視機、影碟機等;④其他行業:如電力、航天、特種等領域。


根據工藝的發展和市場的要,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。這種新型的開關電源集成電路給電源系統帶來了很多優勢。該芯片交流輸入可直接從電網接入,應用功耗低,成本低,體積小,同時還提高了系統的穩定性,降低了成本,使電子工程師的設計更加簡單。該芯片可用于驅動一個單端接地電源系統,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


此開關電源為一中頻集成模塊,設計頻率為100kHz,最大占空比為70%,它包括一個恒頻脈寬調制器和一個高集成度電源開關電路,其結構如圖1所示。這個組合開關的高壓側可對從85~265V的交流電壓進行持續控制,可以應用于多數常規電源系統。


通過一個光電耦合管,將負載變化情況反饋到芯片內部,反饋信號在2.7k的電阻上出現電壓降,經過7kHz的低通濾波器,把高頻開關噪音濾掉,以直流電壓形式輸入到pWM模塊進行調節,出現占空比隨反饋信號變化的脈沖波,通過驅動電路驅動功率MOSFET,從而實現了pWM的調節。除此之外,功率MOSFET的源極接一電阻,來實現每周期的限流保護。


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


3內部功能模塊介紹


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。其設計頻率為100kHz,占空比為70%。對電容充放電時,利用MOS管飽和區工作電流恒定的原理,實現恒流充放電。其等效簡化電路模型如圖3所示。充電時,開關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Tp="3ms"。放電時,開關S打到8端,可得


式中,IN=8mA,可以計算出TN=7ms。


T="Tp"+TN="10ms"(5)


占空比的設計也是要考慮的,當占空比提高后,整個IC及外接電路構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%,這重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的正溫度系數和Vbe的負溫度系數相互補償,可使輸出基準電壓的溫度系數接近為零(由于T6和T2的Vbe相同,所以輸出電壓Vref和T2發射極電壓相同)。


3.3pWM調制電路


由光耦管耦合過來的反應負載變化情況的信號首先經過一個7kHz的低通濾波器,然后送到pWM比較器和振蕩器出現的鋸齒波進行比較,從而實現脈寬調制。該低通濾波器的頻率響應為


可作為設計參數使用。


3.4過壓保護,欠壓鎖定電路


設計的內部電路工作電壓環境為7.5~8.6V,該電路如圖5所示,由比較器C1,C2和電阻R1、R2、R3、R4組成。由于遲滯比較器的用途,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。若該Vcc故障仍然存在,將用八分頻計數器來計數。這個八分頻計數器使得功率MOSFET關閉,電容將在8個持續周期內反復充放電,8個周期后,若故障排除,整個IC進入正常工作狀態,功率MOSFET開通。這種設計可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當內部工作電壓Vcc<7.5V時,C1輸出一低電平,關閉驅動,同時驅動高壓啟動電路,對外接10μF電容進行充電。同時,該低電平也送入計數器計數,這樣便實現了自啟動功能。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熱關斷電路


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

故Q1不導通,從而Vout為高電平。


故障狀態,穩壓管的溫度系數為正,而晶體管的VBE為負溫度系數。設計的溫度保護能力(當T=150℃)為


同樣計算可得VH(150℃)=0.46V,這樣Q2導通,Vout為低電平。此信號直接關斷功率MOSFET。同時這個脈沖信號也輸入到1/8分頻器,做計數用。


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處于建立工作環境的狀態。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的用途是充電電流過大時,使p1、Q1導通,使VDMOS截止,起到保護用途。此充電電流能力設計值為3mA,超過該值,VDMOS就會截至。根據計算,整個IC建立工作環境所需的時間為40ms,與實際仿真結果相符。


3.7驅動電路


設計驅動電路的目的是為了去除驅動信號的毛刺和對功率MOSFET的柵極起保護用途(圖8)。正常時,N1、N2、N3都處于截止狀態。當電路內部電源電壓Vcc由低電平突然變為高電平時,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,但是由于設計中加了電阻R和N3的存在,對柵極構成旁路,起到保護用途。最后就是假如IC突然斷電時,則功率管漏極沒有大電流供給。假如此時驅動為高電平,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的柵極起保護用途。


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管關閉,這樣C2輸出為低電平,出現故障脈沖。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,這樣設計的好處是可以防止短暫時間內電流過大的情況。若電流一直很大,則可以發揮前沿消隱用途。這兩個信號的延時大小由幾級反相器和電容構成,其中以電容的貢獻最大,其設計延時時間為200ns。


4仿真結果


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過光耦合和低通濾波器后的電壓,中間一條波形為IC內部電壓Vcc信號,最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅動電壓信號。可以看出,由于充電,Vcc不斷新增達到8.6V時便不再新增(過壓保護電路起用途),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柵極的驅動電壓的占空比減少,最終為0。


圖11中模擬了IC內部電壓發生異常時的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅動電壓,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內部電壓Vcc信號。可以看出,當Vcc上升到8.5V時,自動重啟動電路關閉,同時計數器開始計數,這時功率MOSFET還處于工作狀態。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,符合最初的設計要求。


5結論


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


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