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单片开关电源的发展及其应用

时间:2006/9/14 9:57:00  作者:  来源:ic72  浏览人数:1623
 
 

      单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。它于90年代中、后期相继问世后,便显示出强大的生命力,目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。由它构成的开关电源,在成本上与同等功率的线性稳压电源相当,而电源效率显著提高,体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及,创造了良好条件。                        

      1 集成开关电源的发展简况

      开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。近20多年来,集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化。1997年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路,美国摩托罗拉公司、硅通用公司(Silicon General)、尤尼特德公司(Unitrode)等相继推出一批PWM芯片,典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来,国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片,典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中,小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段:80年代初意-法半导体有限公司(SGS-Thomson)率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中,使用时需配工频变压器与电网隔离,适于制作低压输出(5.1~40V)、大中功率(400W以下)、大电流(1.5A~10A)、高效率(可超过90%)的开关电源。但从本质上讲,它仍属DC/DC电源变换器。                             

      1994年,美国动力(Power)公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源,被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列,第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列。该公司于1998年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列。在这之后,Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源,亦称高压功率开关调节器(HighVoltage Power Switching Regulator)。目前,单片开关电源已形成四大系列、近70种型号的产品。        

      2 TOPSwitch-11系列三端单片开关电源

      根据封装形式,TOPSwitch-II可划分成三种类型:TOP221Y~227Y(TO-220封装),TOP221P~224P(DIP-8封装),TOP221G~224G(SMD-8封装),产品分类详见表1。其中以TOP227Y的输出功率为最大。            

      2.1 TOPSwitch-11的性能特点

      (1) TOPSWitch-II内部包括振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路、高压功率开关管(MOSFET)、偏置电路、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路。它通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,使用安全可靠。它属于漏极开路输出的电流控制型开关电源。由于采用CMOS电路,使器件功耗显著降低。           

      (2) 只有三个引出端:控制端C、源极S、漏极D,可同三端线性稳压器相媲美,能以最简方式构成无工频变压器的反激式开关电源。为完成多种控制、偏置及保护功能,C、D均属多功能引出端,实现了一脚多用。以控制端为例,它具有三项功能:①该端电压VC为片内并联调整器和门驱动级提供偏压;②该端电流IC能调节占空比;③该端还作为电源支路与自动重启动/补偿电容的连接点,通过外接旁路电容来决定自动重启动的频率,并对控制回路进行补偿。                        

      (3) 输入交流电压的范围极宽。作固定电压输入时可选220V±15%交流电,若配85~265V宽范围变化的交流电,最大输出功率要降低40%。开关电源的输入频率范围是47~440Hz。               

      (4) 开关频率典型值为100KHz,占空比调节范围是1.7%~67%。电源效率为80%左右,最高可达90%,比线性集成稳压电源提高近一倍。其工作温度范围是0~70℃芯片最高结温Tjm=135℃。

      (5)  TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反馈电流IC来调节占空比D,达到稳压目的。举例说明,当由于某种原因致使开关电源的输出电压VOT时,经过光耦反馈电路就使Ic↑→误差电压Vrt→D↓→Vo↓,使Vo保持不变。反之亦然。                       

      (6) 外围电路简单,成本低廉。外部仅需接整流滤波器、高频变压器、初级保护电路、反馈电路和输出电路。采用此类芯片还能降低开关电源产生的电磁干扰。                       

      2.2 典型应用                                

      TOPSwitch-II可广泛用于仪器仪表、笔记本电脑、移动电话、电视机、VCD和DVD、摄录像机、电池充电器、功率放大器等领域,并能构成各种小型化、高密度、低成本的开关电源模块。此外,它还适合构成后备式开关电源,非隔离式开关电源、恒流恒压输出开关电源,供无线通信用的DC/DC电源变换器、恒功率调节器、功率因数补偿器等。                        

      2.3 电路设计要求                          

      (1)  TOPSwitch-II的反馈电路中需配光电耦合器与输出电路隔离。设计精密开关电源时,还应增加一片TL431型可调式精密关联稳压器,由它构成外部误差放大器,来代替取样电路中的稳压管。精密开关电源的电压调整率Sv、电流调整率Sl均可达±0.2%左右,接近于线性集成稳压电源的指标。

      (2)应选用电流传输比(CTR)能线性变化的光电耦合器,如PC817A,NEC2501、6N137等型号,不推荐采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的线性度差,传输模拟信号时会造成失真,影响开关电源的稳压性能。                          

      (3)高频变压器的初级必须设置保护电路,用以吸收漏感引起的尖峰电压,确保MOSFET不被损坏。这种保护电路应并联在初级上,具体有4种设计方案:①由瞬变电压抑制二极管(TVS)和超快恢复二极管(SRD)组成钳位电路;②由TVS与硅整流管(VD)构成的钳位电路;③由阻容元件与SRD构成的吸收电路;④由阻容件与VD构成的吸收电路。上述方案中以①的效果最佳,能充分发挥TVS响应速度极快、可承受高能量瞬态脉冲之优点。方案②次之。                          

      (4)  使用芯片时需加合适的散热器。对于TO-220封装,可直接装在小散板上。对于DIP-8和SMD-8封装的可将4个源极焊在面积为2.3的印制板敷铜箔上代替散热片。              

      (5)为抑制从电网引入的干扰,也防止开关电源产生的干扰向外部传输,需在电源进线端增加一级电磁干扰滤波器(EMI filter)亦称电源噪声滤波器(PNF)。                       

      (6)使用此类芯片时,源极引线要尽量短。为使空载或轻载时输出电压稳定,应在稳压电源输出端接一只几百欧的电阻作为最小负载,亦可并联一只稳压管。                        

      3 TinySwitch系列四端开关电源
       
      TinySwitch是Power公司新推出的一种高效、小功率四端单片开关电源。因所构成开关电源的体积很小,故称TinySwitch微型开关系列。它比三端单片开关电源增加一个使能端,使用更加方便灵活。TinySwitch系列性优价廉,外围电路非常简单,特别适合制作10W以下的微型开关电源或待机电源,是取代效率低、体积较大的小功率线性稳压电源的理想产品。                    

      3.1TinySwitch的性能特点                          

      (1)  TinySwitch有DIP-8、SMD-8两种封装形式、6种型号。产品分类见表2。尽管采用8脚封装,实际上只有四个脚:S、D、BP(相当于控制端)、EN(使能端),因此等效于四端器件。利用使能端可从外部关断MOSFET,并且在快速上电时输出电压无过冲现象、掉电时MOSFET也无频率倍增现象。

      (2)高效、小功率输出。选220V交流电源时,其空载功耗低于60mW。它适宜制作0~10W的小功率、低成本开关电源,比线性稳压电源大约可节电38%。                         

      (3)采用开/关控制器来代替PWM对输出电压进行调节。开/关控制器可等效为脉冲频率调制器(PFM),其调节速度比普通的PWM更快,对纹波抑制能力更强。                       

      (4)与TOPSwitch-II相比,它在电路设计上颇具特色。第一,交流输入端可省掉EMI滤波器;第二,初级保护电路不需使用TVS,仅用RC电路即可吸收尖峰电压;第三,不用反馈线圈及相关电路,也不加回路补偿元件;第四,芯片内部增加了使能检测与逻辑电路。                    

      3.2TinySwitch的应用                             

      该系列产品适合制作手机电池恒压恒流充电器、IC卡付费电度表中的小型开关电源模块,以及微机、彩电、摄录像机等高档家用电器中的待机电源。例如,目前生产的大屏幕彩电均具有待机功能,使用遥控器关闭电源之后,即进入待机状态。此时彩电中开关电源的功率开关管呈关断状态,改由待机电路继续给CPU供电,使整机功耗降至最低。由TNY253P可构成5V、1.3W的彩电待机电源。它利用彩电主电源产生的直流高压作输入电压,的允许范围是120~375V(视彩电型号而定),而Vo=+5V。使用一片TNY255P则可构成PC机的5V、2A待机电源。由TNY254P构成的+6.7V、3.6W手机电池恒压、恒流充电器,能在85~265V交流输入电压范围内,对6V镍氢(NIMH)电池充电。此外,TinySwitch还适合制作小型家电(如随身听)的适配器(adapter),将220V交流电源变成所需直流稳压电源。这种适配器不仅没有笨重的变压器,而且效率高、体积小、稳压性能好,能完全取代目前市售的各种插头式AC/DC变换器。                       

      4 MC33370系列五端单片开关电源                                

      MC33370系列包括MC33369~MC33374五种规格、17种型号。以TO-220五脚直弯式封装为例,其产品分类见表3。表中的RDS(ON)表示漏-源极导通电阻,ID(PK)代表漏极峰值电流。                    

      1  MC33370的性能特点
     
      (1)它比TOPSwitch-II增加了电源端(Vcc)和状态控制器的输入端(State Control input);芯片内部增加了欠压锁定比较器、外部关断电路和可编程状态控制器。其性价比要优于TOPSwitch-II,而外围电路更趋简单。                        

      (2)利用可编程状态控制器及外部模式选择电路,能实现多种控制方式(包括手动控制、由微控制器MCU操作、数字电路控制、禁止操作等),实现工作状态与备用状态的互相切换。           

  (3)内部集成了一只被称为“敏感场效应管(Sense FET)”的电流传感式功率开关管,用它能无功率损耗地实时检测漏极电流ID的大小,进行过流保护。                                         

      (4)当交流电源为固定值或变化率不超过±20%时,允许去掉高频变压器的反馈线圈以及相关的高频滤波电路。这有助于进一步简化外围电路,降低开关电源的成本。为满足特殊应用的需要,还可给开关电源增加软启动功能。                 

      (5)电源效率高。由它构成开关电源或电源模块的效率可达80%以上。在备用状态下静态功耗低至几十至几百毫瓦。                        

      (6)占空比调节范围更宽,可达0.1~74%。脉宽调制增益的典型值为-14%/mA。芯片的工作结温是-40~150℃,过热保护温度定为157℃(TOPSwitch-II仅为135℃)。                       

      4.2 MC33370的应用                                

      MC33370系列可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中,构成高压隔离式AC/DC电源变换器。在作特殊应用时,还可去掉高频变压器的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容,改用稳压管或双极型晶体管、MOS管来进行串联调整。此外,利用这种芯片还能制作高压步进电源。

 

 
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