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單片開關電源原理及應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月13日  

一、前言


開關電源自20世紀70年代開始應用以來,涌現出許多功能完備的集成控制電路,使開關電源電路日益簡化,工作頻率不斷提高,效率大大提高,并為電源小型化供應了廣闊的前景。三端離線式脈寬調制單片開關集成電路TOp(Threeterminaloffline)將pWM控制器與功率開關MOSFET合二為一封裝在一起,已成為開關電源IC發展的主流。采用TOp開關集成電路設計開關電源,可使電路大為簡化,體積進一步縮小,成本也明顯降低。


二、TOp開關結構及工作原理


1、結構


TOp開關集各種控制功能、保護功能及耐壓700V的功率開關MOSFET于一體,采用TO220或8腳DIp封裝。少數采用8腳封裝的TOp開關,除D、C兩引腳外,其余6腳實際連在一起,作為S端,故仍系三端器件。三個引出端分別是漏極端D、源極端S和控制端C。其中,D是內裝MOSFET的漏極,也是內部電流的檢測點,起動操作時,漏極端由一個內部電流源供應內部偏置電流。控制端C控制輸出占空比,是誤差放大器和反饋電流的輸入端。在正常操作時,內部的旁路調整端供應內部偏置電流,且能在輸入異常時,自動鎖定保護。源極端S是MOSFET的源極,同時是TOp開關及開關電源初級電路的公共接地點及基準點。


2、工作原理


TOp包括10部分,其中Zc為控制端的動態阻抗,RE是誤差電壓檢測電阻。RA與CA構成截止頻率為7kHz的低通濾波器。重要特點是:(1)前沿消隱設計,延遲了次級整流二級管反向恢復出現的尖峰電流沖擊;(2)自動重起動功能,以典型值為5%的自動重起動占空比接通和關斷;(3)低電磁干擾性(EMI),TOp系列器件采用了與外殼的源極相連,使金屬底座及散熱器的dv/dt=0,從而降低了電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制;(4)電壓型控制方式與逐周期峰值電流限制。下面簡要敘述一下:(1)控制電壓源控制電壓Uc能向并聯調整器和門驅動極供應偏置電壓,而控制端電流Ic則能調節占空比。控制端的總電容用Ct表示,由它決定自動重起動的按時,同時控制環路的補償,Uc有兩種工作模式,一種是滯后調節,用于起動和過載兩種情況,具有延遲控制用途;另一種是并聯調節,用于分離誤差信號與控制電路的高壓電流源。剛起動電路時由D-C極之間的高壓電流源供應控制端電流Ic,以便給控制電路供電并對Ct充電。


(2)帶隙基準電壓源帶隙基準電壓源除向內部供應各種基準電壓之外,還出現一個具有溫度補償并可調整的電流源,以保證精確設定振蕩器頻率和門極驅動電流。


(3)振蕩器內部振蕩電容是在設定的上、下閾值UH、UL之間周期性地線性充放電,以出現脈寬調制器所要的鋸齒波(SAW),與此同時還出現最大占空比信號(Dmax)和時鐘信號(CLOCK)。為減小電磁干擾,提高電源效率,振蕩頻率(即開關頻率)設計為100kHz,脈沖波形的占空比設定為D。


(4)放大器誤差放大器的增益由控制端的動態阻抗Zc來設定。Zc的變化范圍是10Ω~20Ω,典型值為15Ω。誤差放大器將反饋電壓UF與5.7V基準電壓進行比較后,輸出誤差電流Ir,在RE上形成誤差電壓UR。


(5)脈寬調制器(pWM)脈寬調制器是一個電壓反饋式控制電路,它具有兩層含義。第一、改變控制端電流Ic的大小,即可調節占空比D,實現脈寬調制。第二、誤差電壓UR經由RA、CA組成截止頻率為7kHz的低通濾波器,濾掉開關噪聲電壓之后,加至pWM比較器的同相輸入端,再與鋸齒波電壓UJ進行比較,出現脈寬調制信號UB。


(6)門驅動級和輸出級門驅動級(F)用于驅動功率開關管(MOSFET),使之按一定速率導通,從而將共模電磁干擾減至最小。漏源導通電阻與產品型號和芯片結溫有關。MOSFET管的漏源擊穿電壓U(bo)ds≥700V。


(7)過流保護電路過流比較器的反相輸入端接閾值電壓ULIMIT,同相輸入端接MOSFET管的漏極。此外,芯片還具有初始輸入電流限制功能。剛通電時可將整流后的直流限制在0.6A或0.75A。


(8)過熱保護電路當芯片結溫TJ>135℃時,過熱保護電路就輸出高電平,將觸發器Ⅱ置位,Q=1,,關斷輸出級。此時進入滯后調節模式,Uc端波形也變成幅度為4.7V~5.7V的鋸齒波。若要重新起動電路,需斷電后再接通電源開關;或者將控制端電壓降至3.3V以下,達到Uc(reset)值,再利用上電復位電路將觸發器Ⅱ置零,使MOSFET恢復正常工作。


(9)關斷/自起動電路一旦調節失控,關斷/自動重起動電路立即使芯片在5%占空比下工作,同時切斷從外部流入C端的電流,Uc再次進入滯后調節模式。倘若故障己排除,Uc又回到并聯調節模式,自動重新起動電源恢復正常工作。自動重起動的頻率為1.2Hz。


(10)高壓電流源在起動或滯后調節模式下,高壓電流源經過電子開關S1給內部電路供應偏置,并且對Ct進行充電。電源正常工作時S1改接內部電源,將高壓電流源關斷。


當TOp開關起動操作時,在控制端環路振蕩電路的控制下,漏極端有電流流入芯片,供應開環輸入。該輸入通過旁路調整器、誤差放大器時,由控制端進行閉環調整,改變Ir,經由pWM控制MOSFET的輸出占空比,最后達到動態平衡。


三、TOp開關的典型應用


1、12V/30W小功率開關電源


12V/30W小功率開關電源原理圖如圖2所示。該電源特性是:簡單,直接可與220V交流電源連接,經橋式整流電容濾波后出現300V直流高電壓起動開關電源工作。并且重量輕、體積小,接線簡單外圍元件少。該電路特點是利用三極管Q1,二極管D8及電阻R5、R6組成過低壓保護電路,當輸入電壓降低到一定程度時,Q1導通,控制端C電位降低,TOp開關關閉,開關電源沒有輸出。


(1)輸入電路電網交流220V輸入電壓經橋式整流、電容濾波后出現300V直流高壓起動開關電源工作。


(2)電源變換器部分在該電路中,T2為高頻變壓器,其中:N1為初級繞組(35T);N2為反饋繞組(15T);N3為次級隔離輸出繞組(7T)。


開關電源工作后,反饋繞組N2經整流、濾波、限流后送至TOp開關控制極C,以調整TOp開關內部pWM占空比。當因某種原因如負載變輕引起輸出電壓升高時,N2電壓將升高,即流入TOp開關控制端C的電流新增。在振蕩電路的控制下,漏極端D有電流流入芯片,供應開環輸入,該輸入通過旁路調整器、誤差放大器,由控制端進行閉環調整,經由pWM控制MOSFET的輸出占空比,使其占空比線性減小,從而使輸出電壓下降,最后達到動態平衡,保持輸出穩定。電路中并接于初級繞組N1兩端的瞬態電壓抑制二極管D5、電容C4及快速二極管D6組成鉗位削峰電路。鉗制電感放電脈沖的最高電位,減少漏感抗引起的漏極端電壓畸變。在實際繞制高頻電源變壓器時,為了減小漏感的影響,可采用初級與次級相互交叉的繞制方法。同時,采用自我屏蔽用途較為良好的罐形磁芯,將線圈都用磁芯封在里邊。


(3)反饋控制回路電容C6決定軟起動恢復時間,C6、R5、R4、C5、D7決定控制回路的零點。R4阻值過小,限流線性差,容易導致TOp開關損壞;過大則調整線性差。在實驗中取值為10kΩ


(4)輸出回路


N3、D10、C8、D11構成輸出回路。肖特基勢壘整流二極管D10對高頻變壓器次級的高頻方波電壓進行整流,經低ESR值的電解電容濾波及雙向瞬態電壓抑制二極管D11削峰穩壓后,供應給負載電路。R7既可改善電源本身的輸出阻抗,又能小幅度地調整輸出電壓的范圍,同時又可在電源空載時為電容C8供應放電回路。R7取值為430Ω。


2、12.5V/25W精密開關電源


12.5V/25W精密開關電源原理圖如圖3所示。由TOp204構成隔離式+12.5V、2A(25W)開關電源電路,該電源的特性為:當交流輸入電壓U從85V變化到265V時,電壓調整率為±0.2%;當負載電流從10%(0.2A)變化到100%(2A)時,負載調整率也達±0.2%,可與線性集成穩壓電源相媲美。該電路的重要特點是利用一片TL431(IC3)與光電耦合器(IC2)構成外部誤差放大器。它再與片內誤差放大器配合使用,對控制電流進行精細調整,從而大大提高了穩壓性能。


四、結束語由于TOp芯片內部完全集成了SMpS的全部功能,所以利用它設計出的開關電源周期短,成本低,關于小功率電源,簡單,體積小,重量輕。隨著TOp開關系列的不斷發展與改進,其在開關電源及其它應用領域中必將有著更加燦爛的前景。


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