单片开关电源原理及应用

2007-04-10 11:43:09来源: 控制工程网

一、前言

  开关电源自20世纪70年代开始应用以来,涌现出许多功能完备的集成控制电路,使开关电源电路日益简化,工作频率不断提高,效率大大提高,并为电源小型化提供了广阔的前景。三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP(Threeterminaloffline)将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起,已成为开关电源IC发展的主流。采用TOP开关集成电路设计开关电源,可使电路大为简化,体积进一步缩小,成本也明显降低。

二、TOP开关结构及工作原理

1、结构

  TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体,采用TO220或8脚DIP封装。少数采用8脚封装的TOP开关,除D、C两引脚外,其余6脚实际连在一起,作为S端,故仍系三端器件。三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。其中,D是内装MOSFET的漏极,也是内部电流的检测点,起动操作时,漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。控制端C控

制输出占空比,是误差放大器和反馈电流的输入端。在正常操作时,内部的旁路调整端提供内部偏置电流,且能在输入异常时,自动锁定保护。源极端S是MOSFET的源极,同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。

2、工作原理

  TOP包括10部分,其中Zc为控制端的动态阻抗,RE是误差电压检测电阻。RA与CA构成截止频率为7kHz的低通滤波器。主要特点是:
(1)前沿消隐设计,延迟了次级整流二级管反向恢复产生的尖峰电流冲击;
(2)自动重起动功能,以典型值为5%的自动重起动占空比接通和关断;
(3)低电磁干扰性(EMI),TOP系列器件采用了与外壳的源极相连,使金属底座及散热器的dv/dt=0,从而降低了电压型控制方式与逐周期峰值电流限制;
(4)电压型控制方式与逐周期峰值电流限制。 

下面简要叙述一下:

(1)控制电压源


  控制电压Uc能向并联调整器和门驱动极提供偏置电压,而控制端电流Ic则能调节占空比。控制端的总电容用Ct表示,由它决定自动重起动的定时,同时控制环路的补偿,Uc有两种工作模式,一种是滞后调节,用于起动和过载两种情况,具有延迟控制作用;另一种是并联调节,用于分离误差信号与控制电路的高压电流源。刚起动电路时由D-C极之间的高压电流源提供控制端电流Ic,以便给控制电路供电并对Ct充电。

(2)带隙基准电压源

  带隙基准电压源除向内部提供各种基准电压之外,还产生一个具有温度补偿并可调整的电流源,以保证精确设定振荡器频率和门极驱动电流。

(3)振荡器

  内部振荡电容是在设定的上、下阈值UH、UL之间周期性地线性充放电,以产生脉宽调制器所需要的锯齿波(SAW),与此同时还产生最大占空比信号(Dmax)和时钟信号(CLOCK)。为减小电磁干扰,提高电源效率,振荡频率(即开关频率)设计为100kHz,脉冲波形的占空比设定为D。

(4)放大器

  误差放大器的增益由控制端的动态阻抗Zc来设定。Zc的变化范围是10Ω~20Ω,典型值为15Ω。误差放大器将反馈电压UF与5.7V基准电压进行比较后,输出误差电流Ir,在RE上形成误差电压UR。

(5)脉宽调制器(PWM)

  脉宽调制器是一个电压反馈式控制电路,它具有两层含义。第一、改变控制端电流Ic的大小,即可调节占空比D,实现脉宽调制。第二、误差电压UR经由RA、CA组成截止频率为7kHz的低通滤波器,滤掉开关噪声电压之后,加至PWM比较器的同相输入端,再与锯齿波电压UJ进行比较,产生脉宽调制信号UB。

(6)门驱动级和输出级

  门驱动级(F)用于驱动功率开关管(MOSFET),使之按一定速率导通,从而将共模电磁干扰减至最小。漏源导通电阻与产品型号和芯片结温有关。MOSFET管的漏源击穿电压U(bo)ds≥700V。

(7)过流保护电路

  过流比较器的反相输入端接阈值电压ULIMIT,同相输入端接MOSFET管的漏极。此外,芯片还具有初始输入电流限制功能。刚通电时可将整流后的直流限制在0.6A或0.75A。

(8)过热保护电路

  当芯片结温TJ>135℃时,过热保护电路就输出高电平,将触发器Ⅱ置位,Q=1,,关断输出级。此时进入滞后调节模式,Uc端波形也变成幅度为4.7V~5.7V的锯齿波。若要重新起动电路,需断电后再接通电源开关;或者将控制端电压降至3.3V以下,达到Uc(reset)值,再利用上电复位电路将触发器Ⅱ置零,使MOSFET恢复正常工作。

(9)关断/自起动电路

  一旦调节失控,关断/自动重起动电路立即使芯片在5%占空比下工作,同时切断从外部流入C端的电流,Uc再次进入滞后调节模式。倘若故障己排除,Uc又回到并联调节模式,自动重新起动电源恢复正常工作。自动重起动的频率为1.2Hz。

(10)高压电流源

  在起动或滞后调节模式下,高压电流源经过电子开关S1给内部电

路提供偏置,并且对Ct进行充电。电源正常工作时S1改接内部电源,将高压电流源关断。

  当TOP开关起动操作时,在控制端环路振荡电路的控制下,漏极端有电流流入芯片,提供开环输入。该输入通过旁路调整器、误差放大器时,由控制端进行闭环调整,改变Ir,经由PWM控制MOSFET的输出占空比,最后达到动态平衡。

三、TOP开关的典型应用

1、12V/30W小功率开关电源

  12V/30W小功率开关电源原理图如图2所示。该电源特性是:简单,直接可与220V交流电源连接,经桥式整流电容滤波后产生300V直流高电压起动开关电源工作。并且重量轻、体积小,接线简单外围元件少。

  该电路特点是利用三极管Q1,二极管D8及电阻R5、R6组成过低压保护电路,当输入电压降低到一定程度时,Q1导通,控制端C电位降低,TOP开关关闭,开关电源没有输出。

(1)输入电路

  电网交流220V输入电压经桥式整流、电容滤波后产生300V直流高压起动开关电源工作。

(2)电源变换器部分

  在该电路中,T2为高频变压器,其中:N1为初级绕组(35T);N2为反馈绕组(15T);N3为次级隔离输出绕组(7T)。

  开关电源工作后,反馈绕组N2经整流、滤波、限流后送至TOP开关控制极C,以调整TOP开关内部PWM占空比。当因某种原因如负载变轻引起输出电压升高时,N2电压将升高,即流入TOP开关控制端C的电流增加。在振荡电路的控制下,漏极端D有电流流入芯片,提供开环输入,该输入通过旁路调整器、误差放大器,由控制端进行闭环调整,经由PWM控制MOSFET的输出占空比,使其占空比线性减小,从而使输出电压下降,最后达到动态平衡,保持输出稳定。电路中并接于初级绕组N1两端的瞬态电压抑制二极管D5、电容C4及快速二极管D6组成钳位削峰电路。钳制电感放电脉冲的最高电位,减少漏感抗引起的漏极端电压畸变。在实际绕制高频电源变压器时,为了减小漏感的影响,可采用初级与次级相互交叉的绕制方法。同时,采用自我屏蔽作用较为良好的罐形磁芯,将线圈都用磁芯封在里边。

(3)反馈控制回路

  电容C6决定软起动恢复时间,C6、R5、R4、C5、D7决定控制回路的零点。R4阻值过小,限流线性差,容易导致TOP开关损坏;过大则调整线性差。在实验中取值为10kΩ

(4)输出回路

  N3、D10、C8、D11构成输出回路。肖特基势垒整流二极管D10对高频变压器次级的高频方波电压进行整流,经低ESR值的电解电容滤波及双向瞬态电压抑制二极管D11削峰稳压后,提供给负载电路。R7既可改善电源本身的输出阻抗,又能小幅度地调整输出电压的范围,同时又可在电源空载时为电容C8提供放电回路。R7取值为430Ω。

2、12.5V/25W精密开关电源

  12.5V/25W精密开关电源原理图如图3所示。由TOP204构成隔离式+12.5V、2A(25W)开关电源电路,该电源的特性为:当交流输入电压U从85V变化到265V时,电压调整率为±0.2%;当负载电流从10%(0.2A)变化到100%(2A)时,负载调整率也达±0.2%,可与线性集成稳压电源相媲美。该电路的主要特点是利用一片TL431(IC3)与光电耦合器(IC2)构成外部误差放大器。它再与片内误差放大器配合使用,对控制电流进行精细调整,从而大大提高了稳压性能。

四、结束语

  由于TOP芯片内部完全集成了SMPS的全部功能,所以利用它设计出的开关电源周期短,成本低,对于小功率电源,简单,体积小,重量轻。随着TOP开关系列的不断发展与改进,其在开关电源及其它应用领域中必将有着更加灿烂的前景。

关键字:脉宽  调制  控制  负载

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