- 開光電源兩種導(dǎo)通模式的比較
- 開關(guān)控制器的選擇
- 線路保護(hù)功能的應(yīng)用
開關(guān)電源的使用日益普及，電視機(jī)、機(jī)頂盒和錄像機(jī)均采用這種方式供電，移動(dòng)電話充電器、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)，甚至一些電動(dòng)牙刷都采用開關(guān)電源。
與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源具有許多優(yōu)點(diǎn)。在通常情況下，如果只需要一個(gè)直流輸出，采用一個(gè)變壓器、整流器和濾波電容就可構(gòu)成線性電源。有時(shí)，可采用一個(gè)線性穩(wěn)壓器提供穩(wěn)壓輸出。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，所以成本通常較低。而開關(guān)電源通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，所以線性電源獲得了廣泛應(yīng)用。表1列出了兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
表1線性與開關(guān)電源對(duì)比
開關(guān)電源電路有許多種，但最常見的是反激式轉(zhuǎn)換器，其原理如圖1所示，電源輸入首先經(jīng)過整流，然后濾波，接下來經(jīng)過變壓器和初級(jí)開關(guān)，以及初級(jí)控制器；這個(gè)控制器根據(jù)反饋信號(hào)來改變開關(guān)的占空比，反饋信號(hào)是由次級(jí)反饋而來。
盡管可采用電感器，但所示設(shè)計(jì)采用的是未隔離的變壓器。隔離設(shè)計(jì)在離線設(shè)備中更為常見，在離線設(shè)備中，變壓器具有隔離作用，可方便地實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)整。反激式開關(guān)電源可在非連續(xù)導(dǎo)通和連續(xù)導(dǎo)通兩種模式下工作，不連續(xù)導(dǎo)通模式如圖2所示。Ilm和Vlm是變壓器磁化電感通過的電流和施加的電壓。
表2開關(guān)電源的兩種導(dǎo)通模式
[page]當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電壓施加在變壓器初級(jí)的兩端，因?yàn)榇藭r(shí)次級(jí)二極管是截止的，變壓器所起的作用就像電感器。經(jīng)過初級(jí)線圈的電流會(huì)上升，同時(shí)能量?jī)?chǔ)存在磁通量中。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，次級(jí)二極管導(dǎo)通，電流通過次級(jí)時(shí)會(huì)下降，因?yàn)槟芰勘晦D(zhuǎn)換至次邊大容量電容器。如果電流經(jīng)過磁化電感區(qū)后降至零，這是不連續(xù)導(dǎo)通模式。如果磁化電流未降至零，如圖3所示，則系統(tǒng)以連續(xù)導(dǎo)通模式工作。
表2列出了兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)。
兩種模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇?？梢蕴暨x大負(fù)載的連續(xù)模式設(shè)計(jì)，或選擇小負(fù)載的非連續(xù)模式設(shè)計(jì)。有電壓和電流兩種控制模式，在電壓模式中，次邊電壓被反饋，直接控制工作循環(huán)；而在電流模式中，次邊電壓被反饋，控制最大的開關(guān)電流，即控制IC的PWM部分使開關(guān)閉合，當(dāng)電流達(dá)到反饋設(shè)定的極限時(shí)，開關(guān)就斷開。
控制器的選擇
過去，大多數(shù)SMPS系統(tǒng)采用分立控制器IC和用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)作為開關(guān)，現(xiàn)在可以采用集成控制器，這些集成器件針對(duì)各種功率級(jí)別和應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，通常可分為雙芯片式和單芯片式兩類。雙芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片，而單芯片式僅有一個(gè)芯片，一般采用BCDMOS工藝制造。采用BCDMOS工藝制造高壓功率MOSFET器件，它的局限性多于采用優(yōu)化MOSFET工藝制造的器件。通常，采用BCDMOS工藝制造的芯片的單位面積RDS(on)值會(huì)高出許多。
然而，單芯片解決方案的成本較低，在低功率應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。因此，一般是為高功率應(yīng)用選擇雙芯片方案，而為低功率應(yīng)用選擇單芯片方案，高低功率的分界點(diǎn)在15至20W左右，飛兆半導(dǎo)體有提供兩種類型的功率開關(guān)。
應(yīng)用實(shí)例
圖4所示為采用KA5M0365R的通用開關(guān)模式電源的電路圖，KA5M0365R是雙芯片器件。電源的輸入電壓為85～265VAC，開關(guān)頻率為66kHz，輸出為3.3V、1.2A，5V、1.5A，9V、0.5A和33V、0.1A。
內(nèi)部MOSFET的額定值為3A和650V，但不是簡(jiǎn)單的MOSFET，而是SenseFET，其源極面積約有1%被隔離出來，形成次感應(yīng)源極。漏極電流的1%來自感應(yīng)源極，它流經(jīng)集成電阻器，便于準(zhǔn)確地測(cè)量電流值，不存在與外部電流采樣電阻器相關(guān)的損耗。
自線路輸入端開始，首先是一個(gè)用于抑制EMI的濾波器，接下來是橋型整流器、NTC電阻器和濾波電容器。NTC電阻器用于避免開關(guān)閉合時(shí)的電流浪涌。在第一次接通電源時(shí)，F(xiàn)PS以旁路模式工作，吸收極少的電流，Vcc電容器被充電，一旦達(dá)到電壓鎖定閾值15V范圍的上限，該器件就開始開關(guān)，它的電流需求增加，Vcc電壓開始下降。然而，假定Vcc電容器足夠大，Vcc電壓仍保持在電壓鎖定閾值范圍的較低水平，在正常運(yùn)作期間，第三線圈開始供電。
緩沖網(wǎng)絡(luò)(SnubberNetwork)連接在變壓器初級(jí)的兩端，以確保變壓器泄漏電感引起的尖峰信號(hào)，不會(huì)造成開關(guān)漏極電壓超過其擊穿電壓。如果超過擊穿電壓，器件會(huì)發(fā)生雪崩，由于它具有一定的雪崩額定值，這樣僅僅多消耗一點(diǎn)功率，不需配置昂貴的齊納緩沖器。
有四個(gè)次級(jí)線圈提供四路電壓輸出，通過一個(gè)光耦，由431型電壓參考器提供反饋信號(hào)。
保護(hù)功能
所有的離線式電源必須達(dá)到一定的安全標(biāo)準(zhǔn)，圖4所示的設(shè)計(jì)具有良好的保護(hù)功能，得益于控制器具有的過載保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和過熱保護(hù)特性。
如果電源超負(fù)載但未短路，輸出電壓將會(huì)降低，反饋電壓上升，占空比增加以進(jìn)行補(bǔ)償。然而，因?yàn)槌踹呺娏饔邢蓿赊D(zhuǎn)換的最大功率也是有限的，因此反饋電壓將繼續(xù)上升。一旦它達(dá)到閾值，器件的開關(guān)動(dòng)作就會(huì)停止。過載保護(hù)可延時(shí)以避免負(fù)載瞬變導(dǎo)致的錯(cuò)誤觸發(fā)。如果在反饋回路中出現(xiàn)開路故障，反饋引腳電壓將上升，導(dǎo)致工作循環(huán)增加，輸出電壓也將上升，Vcc引腳電壓同樣也上升，一旦Vcc電壓達(dá)到保護(hù)閾值，設(shè)備就關(guān)閉，以避免損害次級(jí)。
如果在反饋回路中出現(xiàn)短路故障，反饋引腳將接地，器件的開關(guān)動(dòng)作也會(huì)停止。如果次級(jí)整流器發(fā)生短路，或負(fù)載短路，在開關(guān)閉合之后，立即有大電流流經(jīng)開關(guān)，從而造成損害。因此，器件會(huì)測(cè)量在開關(guān)閉合后極短時(shí)間內(nèi)的電流，如果電流值比閾值高，器件會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如果器件試著自動(dòng)重新啟動(dòng)，保護(hù)功能會(huì)鎖死開關(guān)動(dòng)作以避免重復(fù)的應(yīng)力。另外，器件具有前沿屏蔽功能。
針對(duì)特定應(yīng)用的改進(jìn)
低功率電源常常是備用、輔助電源，或用于內(nèi)務(wù)處理，F(xiàn)SDH0165或FSDH565等單芯片器件適用于此類電源，芯片集成了控制器和SenseFET。
由于器件采用BCDMOS技術(shù)制造，不存在起動(dòng)電阻器。有可能將高壓整流電源直接連接到器件上，其起動(dòng)與雙芯片器件相似，然而，區(qū)別是該器件用內(nèi)部電流源為Vcc電容器充電，一旦Vcc引腳電壓達(dá)到閾值電壓，器件起動(dòng)，電流源從內(nèi)部斷開，因此在正常運(yùn)作期間，不從電路中直接吸取能量，因而效率提高。對(duì)于較高功率電源，可采用圖5所示的系統(tǒng)，它與先前的系統(tǒng)很相似，但它以準(zhǔn)諧振模式工作，Lm不是一個(gè)單獨(dú)的元件，而是變壓器的一部分。
在這種模式下，開關(guān)頻率與輸入電壓和負(fù)載水平無關(guān)，在低輸入電壓和大負(fù)載的情況下，頻率降低，而在高輸入電壓和小負(fù)載的情況下，開關(guān)頻率升高。在最大輸入電壓下，所需頻率不應(yīng)超過最高開關(guān)頻率150kHz，因此施加的負(fù)載應(yīng)有所限制。準(zhǔn)諧振模式的優(yōu)點(diǎn)是EMI較低和效率較高。
這里未出現(xiàn)先前所用的傳統(tǒng)RCD(電阻器電容器二極管)緩沖器，作為替代，采用一個(gè)與開關(guān)并聯(lián)的小型電容器，電源開關(guān)配有一個(gè)額外的同步引腳，用于開通SenseFET。在次級(jí)二極管截止之前，其工作與非連續(xù)電流反激方式基本相同。在初級(jí)二極管截止后，開關(guān)管漏極開始振鈴動(dòng)作，頻率由串聯(lián)的電容器和初級(jí)電感量所決定。同步引腳電壓開始下降，當(dāng)電壓超過閾值時(shí)，開關(guān)再次閉合。選擇合適的同步引腳元件，使得漏極電壓達(dá)到最小值時(shí)，同步電壓達(dá)到閾值。該系統(tǒng)為軟開關(guān)型，具有很小的EMI，因?yàn)槁O電壓很小，開關(guān)損耗也降至最低。但這里忽略了功率因數(shù)校正問題，因?yàn)樵跉W洲已經(jīng)要求所有功耗超過75W的設(shè)備需進(jìn)行功率因數(shù)校正。
有幾種方法可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，從簡(jiǎn)單的無源解決方案到較復(fù)雜和性能較好的有源解決方案。飛兆半導(dǎo)體的ML4803采用小型8引腳封裝，集成了PFC和PWMSMPS控制器，在技術(shù)和成本具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。現(xiàn)在已經(jīng)有多種適合不同應(yīng)用和功率范圍的器件，使離線式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單。
