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原邊反饋AC/DC控制芯片中的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2012-11-30 責(zé)任編輯:simonyang

【導(dǎo)讀】原邊反饋方式的AC/DC控制技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于省去了這兩個(gè)芯片以及與之配合工作的一組元器件,節(jié)省了系統(tǒng)板上的空間,降低了成本、提高了系統(tǒng)的可靠性。為實(shí)現(xiàn)高精度的恒流/恒壓特性,必然要采用新的技術(shù)來(lái)監(jiān)控負(fù)載、電源和溫度的實(shí)時(shí)變化以及元器件的同批次容差。


原邊反饋方式的AC/DC控制技術(shù)是最近10年間發(fā)展起來(lái)的新型AC/DC控制技術(shù),與傳統(tǒng)的副邊反饋的光耦加431的結(jié)構(gòu)相比,其最大的優(yōu)勢(shì)在于省去了這兩個(gè)芯片以及與之配合工作的一組元器件,這樣就節(jié)省了系統(tǒng)板上的空間,降低了成本并且提高了系統(tǒng)的可靠性。在手機(jī)充電器等成本壓力較大的市場(chǎng),以及LED驅(qū)動(dòng)等對(duì)體積要求很高的市場(chǎng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

在省去了這些元器件之后,為了實(shí)現(xiàn)高精度的恒流/恒壓(CC/CV)特性,必然要采用新的技術(shù)來(lái)監(jiān)控負(fù)載、電源和溫度的實(shí)時(shí)變化以及元器件的同批次容差,這就涉及到初級(jí)(原邊)調(diào)節(jié)技術(shù)、變壓器容差補(bǔ)償、線纜補(bǔ)償和EMI優(yōu)化技術(shù)。

初級(jí)調(diào)節(jié)的原理是通過(guò)精確采樣輔助繞組(NAUX)的電壓變化來(lái)檢測(cè)負(fù)載變化的信息。當(dāng)控制器將MOS管打開(kāi)時(shí),變壓器初級(jí)繞組電流ip從0線性上升到ipeak,公式為

 

此時(shí)能量存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中,當(dāng)控制器將MOS管關(guān)斷后,能量通過(guò)變壓器傳遞到次級(jí)繞組,并經(jīng)過(guò)整流濾波送到輸出端VO。在此期間,輸出電壓VO和二極管的正向電壓VF被反射到輔助繞組NAUX,輔助繞組NAUX上的電壓在去磁開(kāi)始時(shí)刻可由公式

 

表示,其中VF是輸出整流二極管的正向?qū)▔航担谌ゴ沤Y(jié)束時(shí)刻可由公式

 

表示,由此可知,在去磁結(jié)束時(shí)間點(diǎn),次級(jí)繞組輸出電壓與輔助繞組具有線性關(guān)系,只要采樣此點(diǎn)的輔助繞組的電壓,并形成由精確參考電壓箝位的誤差放大器的環(huán)路反饋,就可以穩(wěn)定輸出電壓VO。這時(shí)的輸出電流IO由公式

 

表示,其中VCS是CS腳上的電壓,其他參數(shù)意義如圖1所示。這是恒壓(CV)模式的工作原理。

 

圖1原邊控制應(yīng)用框圖及主要節(jié)點(diǎn)波形圖。

當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)電流極限時(shí),負(fù)載電流會(huì)被箝位在極限電流值,此時(shí)系統(tǒng)就進(jìn)入恒流(CC)模式,這里對(duì)IO的公式需要加一個(gè)限定條件即

 

即去磁時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比例保持一個(gè)常數(shù),這樣在CC模式下的輸出電流公式變成了

 

其中C1是一個(gè)小于0.5的常數(shù),VCSLMT是CS引腳限壓極限值。

在使得去磁時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比例保持一個(gè)常數(shù)后,輸出的電壓和電流就都與變壓器的電感值無(wú)關(guān)了,因此在實(shí)用層面上降低了應(yīng)用方案對(duì)同批次電感感值一致性的要求,從而降低了大規(guī)模生產(chǎn)加工的成本。

與此同時(shí),原邊反饋系統(tǒng)還會(huì)面臨線纜壓降的問(wèn)題。因?yàn)橄到y(tǒng)不是直接采樣輸出端(次級(jí)繞組整流后)的電壓,而是通過(guò)采樣輔助繞組的去磁結(jié)束點(diǎn)的電壓來(lái)控制環(huán)路反饋的,因此,當(dāng)輸出線較長(zhǎng)或者線徑較細(xì)時(shí),在負(fù)載線上會(huì)存在較大的內(nèi)阻(例如在充電器方案中)。在負(fù)載電流變化較大的情況下,輸出線的末端電壓也會(huì)有較大變化。在CV模式下,這種變化在某些場(chǎng)合是不能接受的,因此,原邊反饋驅(qū)動(dòng)芯片還應(yīng)該提供對(duì)線纜壓降補(bǔ)償?shù)墓δ?,這個(gè)功能通常是通過(guò)在INV腳上拉一個(gè)小電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)預(yù)估補(bǔ)償值來(lái)調(diào)節(jié)連接在INV腳上的分壓電阻的總阻值(分壓比例不變),從而補(bǔ)償不同負(fù)載線型和負(fù)載大小帶來(lái)的線纜壓降,以維持CV曲線的水平性(如圖2中的CV曲線)。

 
圖2原邊反饋AC-DC控制器的工作模式示意圖。
 

此外,一款好的原邊反饋AC-DC控制器還應(yīng)該具備優(yōu)秀的EMI特性,對(duì)于傳導(dǎo)和輻射這兩方面的干擾都應(yīng)該盡可能降低,目前常見(jiàn)的做法是采用抖頻技術(shù)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)柔化技術(shù)。抖頻技術(shù)是指在開(kāi)關(guān)頻率的基頻基礎(chǔ)上引入一個(gè)小幅度的頻率變化值,以此來(lái)降低在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)上的頻譜能量強(qiáng)度,優(yōu)化EMI特性。而驅(qū)動(dòng)信號(hào)柔化技術(shù)則是指將驅(qū)動(dòng)MOS管柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)啟沿(上升沿)變得比較平滑,以減小MOS管開(kāi)啟瞬間的能量傳導(dǎo)和輻射,從而進(jìn)一步優(yōu)化EMI特性。

芯聯(lián)半導(dǎo)體推出的CL1100就是一款具備初級(jí)(原邊)調(diào)節(jié)技術(shù)、變壓器容差補(bǔ)償、線纜補(bǔ)償和EMI優(yōu)化技術(shù)的原邊反饋AC-DC控制器,并且具有多種保護(hù)功能,例如軟啟動(dòng)、逐周期的過(guò)流保護(hù)(OCP)、CS采樣端前沿消隱(LEB)、以及過(guò)壓保護(hù)(OVP)和欠壓保護(hù)(UVLO)。實(shí)測(cè)的CL1100的恒壓/恒流特性曲線如圖3所示,該芯片可將恒壓/恒流精度都控制在±3%之內(nèi)。


總結(jié)

隨著小功率隔離AC-DC應(yīng)用向更低成本和更小體積的趨勢(shì)發(fā)展,原邊反饋方式的AC-DC控制芯片應(yīng)運(yùn)而生。為了滿足高精度的恒流和恒壓應(yīng)用要求,原邊反饋控制芯片采用了初級(jí)(原邊)調(diào)節(jié)技術(shù)、變壓器容差補(bǔ)償、線纜補(bǔ)償和EMI優(yōu)化技術(shù)。這些技術(shù)的采用保證了原邊反饋方式的AC-DC控制芯片對(duì)于應(yīng)用電源范圍,不同特性的負(fù)載以及元器件批次容差都具有了很強(qiáng)的適應(yīng)性,因而成為一種可以廣泛應(yīng)用于不同場(chǎng)合的控制技術(shù)。
 

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