LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6M07652RTC特

2011-05-23 11:56:30来源: 互联网

摘要:FS6M07652RTC由SenseFET及其控制IC组成,专门为LCD监视器电源和适配器设计。叙述了FS6M07652RTC的特点、应用电路和设计考虑。

关键词:LCD监视器;开关电源功率开关调整

 

1  引言

    FS6M07652RTC是美国Fairchild公司为LCD监视器回扫式SMPS而专门设计的一种功率开关调整器。同其它Fairchild功率开关(简称FPS)一样,FS6M07652RTC是将带电流感测功能的MOSFET(被称作SenseFET)及其控制IC内置于同一封装之内,属于二合一组合器件。快捷(即仙童)FPS是在韩国三星功率开关(SPS)的基础上发展起来的功率开关调节器系列器件。几年前,快捷收购了三星的半导体功率器件部之后,将SPS更名为FPS。与现存和先前的FPS系列器件比较,FS6M系列FPS在性能和可靠性方面都有较大改进和提高。FS6M07652RTC中的SenseFET额定电流/电压(限制值)是2A/650V,并可承受7A的连续漏极电流。

2  主要性能与特点

    FS6M07652RTC采用空间节省的5脚TO-220F封装,如图1所示。

图1  封装及引脚排列

    FS6M07652RTC内置SenseFET和控制IC,图2示出了其内部结构框图

图2  FS6M07652RTC内部结构框图

    FS6M07652RTC脚1(DRAIN)是SenseFET的漏极;脚2(GND)为接地端;脚3(Vcc)是电源电压施加端;脚4(Vfb)为反馈端;脚5(S/S)是软启动电容器连接端。

    FS6M07652RTC的主要性能与特点如下:

    1)内置耐压至少是650V的SenseFET和前沿消隐(LEB)电路,无需在外部连接电流感测电阻和RC低通滤波元件;

    2)PWM控制器带70kHz的固定工作频率(无需在外部连接RTCT定时元件),占空比可达80%;

    3)控制IC的VCC启动门限电压为15V,启动电流低于170μA,欠电压锁定(UVLO)门限是9V,带6V的滞后;

    4)为在显示电源管理信号传输(display Power Management Signalling,缩写为DPMS)状态下有一个低功率消耗,内置突发模式控制器,提供待机模式下的突发模式操作;

    5)内置各种保护电路,其中包括:

    ——33V的过电压保护(OVP);

    ——逐周电流限制、过电流闭锁保护(OCP)和过载保护(OLP);

    ——门限为160℃的热关闭保护(TSD)。

    故障条件一旦解除,控制IC可以自动重新启动。

    FS6M07652RTC带有最佳化的极驱动器和软启动功能,器件适用于宽范围的世界通用AC输入线路电压。

3  应用电路及变压器设计

3.1  应用电路及工作原理

    FS6M07652RTC主要适用于LCD监视器电源和AC/DC适配器,用其作为功率开关调整器的LCD监视器回扫式SMPS电路如图3所示。

图3  由FS6M07652RTC组成的LCE监视器回扫SMPS电路

    这种回扫式变换器的AC输入电压范围为85~265V,两路DC输出分别为12V/2A和3.3V/2A。5V、130mA的KA7805输出是为在突发模式下操作检验之用而设置的。

    与整流滤波后的DC总线电压连接的电阻R102,为FS6M07652RTC(IC101)脚Vcc的启动元件。通过R102的电流对脚Vcc电容C108充电,当C108上的充电电压超过15V时,FPS内的SenseFET则开始开关。在FPS启动之后,变压器T1的辅助绕组(端5与端6)、D202R104C108等组成的电源电路为FPS内的IC提供足够的工作电流。FPS脚Vcc的OVP电压在30V以上(典型值为33V),Vcc电压可选择24V左右。当Vcc降至9V的UVLO关闭门限时,FPS内IC的工作电流从10mA降至100μA。

    当一个负载或一只二极管发生短路时,将会在短时间内产生一个大电流流过FPS中的SenseFET,并被感测电阻(Rs)检测,OCL电路启动,履行过电流闭锁保护。

    过载不同于负载短路,它是指负载电流远大于预设定的电平。在过载情况下,OLP电路将使FPS停止工作。

    FPS利用电流型控制,最大开关电流在内部被限制,从而限制了在固定输入电压下的功率。如果电源DC输出电压低于设定值,在反馈环路上的IC201(KA431)将产生非常小的电流,IC301光耦合晶体管中的电流几乎变为零,FPS脚Vfb内2μA的电流源(参考图2)将对外部电容C107(参见图3)充电。当脚Vfb上电压因C107充电达到7.5V时,FPS将关闭。在C107=47nF下,关闭延时约100ms。在常态下,Vfb约为0.2~3V。当Vfb=3~7V时,器件在最大占空比上工作。一旦Vfb达到7V,内部电路则关闭反馈电路

    在反馈环路上,Q201、D203R206R207R208及SW201组成的反馈网络用作突发(burst)模式操作。在正常工作期间,Q201导通,R206从反馈网络被分离,3.3V的输出通过反馈网络传输到FPS的脚Vfb。当Q201关断时,R206连接到反馈网络,12V的输出也被反馈,从而使光耦晶体管饱和导通,FPS脚Vfb降为零,转换到突发模式。利用微控制器拉低脚Vfb,并没有使用附加的光耦合器。在突发状态下操作,输出电压降低,只消耗很小的功率。

3.2  变压器设计考虑

    在SMPS设计与制作中,变压器是一个关键性元件。对于图3所示的LCD监视器回扫式SMPS电路,变压器(T1)参数的确定根据下面的设定条件:

    1)AC输入电压(Vin)范围  85~265V(频率60Hz);

    2)输出功率Po=Po1Po2=2A×12V+2A×3.3V=30.6W(按30W计);

    3)变换器效率η=70%。

    对于变压器设计的详细步骤在这里不准备逐一介绍,只简要说明变压器设计思路及设计考虑。

    在确定变压器初级峰值电流Ipk时,首先要确定最低DC输入电压(即输入电容Cin=C103上的电压)。当SMPS在恒定输出功率上操作时,最大峰值初级电流发生在最低DC电压上。图4示出了Cin充电和放电波形。

图4  滤波电容Cin(C103)上充/放电波形

    当Cinf=120Hz下充电和放电时,在Vmin处的纹波电压ΔV最大。Cin充电峰值电压

    Vmin(pk)=×Vin(min)=×85V=120V。

    若纹波电压(峰-峰值)按不小于线路电压的20%处理,可设ΔV=20V。于是,Cin放电谷底电压Vmin=Vmin(pk)-ΔV=120V-20V=100V。Cin放电时间td可按照式(1)计算:

    td=×(1)

    将已知数据代入式(1)可得:td=6.78ms。

    Cin在放电期间输入能量Ein为:

    Ein=Pin·td=(Po/ηtd=(30/0.7)×6.78×10-3=0.29J

    根据Ein=·Cin·,可得:

    Cin===132μF

    132μF是非标准电容。在图3所示的应用电路中,CinC103)选用的是82μF的铝高压电解电容器。在此种情况下,Cin放电终止电压Vmin因纹波电压的增大不再是100V。假定Cin放电时的输入能量不变,根据Ein的计算公式得到的结果是:Vmin=86V。利用该结果计算Ipk时,余量较大。

    最大峰值初级电流IpkVmin和最大占空比Dmax下出现。由于电流控制型SMPS的Dmax应低于50%,若选取Dmax=0.45,可得:

    Ipk===2.2A

    初级方均根值电流Irms可以按式(2)计算:

    Irms=Ipk·  (2)

    将Ipk=2.2A和Dmax=0.45代入式(2)得到

    Irms=0.85A。

    在大多数关于变压器初级电感量Lp的计算中,初级电流都选用Ipk。在变换器初级电感传输到次级的功率保持不变时,确定Lp时可以使用Irms,从而使Lp的计算结果有较大余量。由于FPS的固定操作频率fs=70kHz,故Lp为:

    Lp===0.65mH

    在IpkIrmsLp等参数确定之后,通常根据面积乘积公式Ap=Ae·AW≥(Lp·Ipk·Irms×104/420·K·Bmax)1.31等来确定磁芯的选取。针对本设计实例,通过简单的计算和经验,可选用EFD3030磁芯,其有效截面积Ae=1.07cm2,窗口面积(线圈骨架绕组面积)AW=2.23cm2,最大磁通密度Bmax=0.168T。

    初级绕组匝数可由式(3)计算:

    Np=    (3)

    将Lp=0.65×10-3H、Ipk=2.2A、Bmax=0.168T和Ae=1.07cm2代入式(3),可得:Np=79.6匝。可选取Np=80匝。

    在最大占空因数Dmax上的初、次级绕组匝数比n为:

    n==    (4)

式中:Vd为次级整流二极管的压降(选取0.6V);

      Vo为次级DC输出电压。

    设12V输出次边绕组匝数为NV1,3.3V输出绕组匝数NV2,FPS偏置绕组匝数为NVCC,根据式(4)可得:

    NV1=Np×==13匝

    同理可得:NV2=4匝,NVCC=24匝(Vcc按24V计)。

    图5示出了变压器的结构,其主要参数如下:

图5  变压器结构示意图

    磁芯与骨架:EFD3030;

    绕组线径和匝数:

    初级绕组Np(脚1→2,脚3→2):φ0.3×1,80T(40T+40T),Lp=0.65mH,最大漏感为10μH;

    NV1绕组(脚12→10):φ0.3×2,13T;

    NV2绕组(脚8→7):φ0.3×4,4T;

    Nvcc绕组(脚5→6):φ0.2×2,24T

    变压器绕组之间和外层用2层0.05mm厚的聚酯型薄膜隔离。

关键字:开关  调整

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_8989.html
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