滿足安全環(huán)保需求的小功率集成的AC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：AC/DC轉(zhuǎn)換器 光電耦合器

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、電路設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供了一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)，從而有許許多多新穎的、時(shí)尚的便攜式電子產(chǎn)品呈現(xiàn)在世人面前，像PDA、3G手機(jī)、各種個(gè)人電子醫(yī)療保健裝置以及層出不窮的游戲機(jī)等等。這些便攜式電子產(chǎn)品大多需要高檔的開(kāi)關(guān)電源來(lái)供電或充電，此外，還有許多先進(jìn)的便攜式儀器儀表，工控裝置乃至像剃須刀這樣的日常用具也需要開(kāi)關(guān)電源。正是在這種背景下，PHILIPS推出了STARplug電源IC產(chǎn)品系列。

該系列不但滿足了便攜式電子產(chǎn)品微功耗、高可靠、微小型化等要求，還滿足了使用安全性和環(huán)保的需求。

關(guān)于STARplug產(chǎn)品系列

STARplug有兩個(gè)系列，即TEA152X系列和TEA162X系列(見(jiàn)表1)。TEA152X系列是早在2000年9月問(wèn)世的，TEA162X系列則是對(duì)TEA152X系列的改進(jìn)，并于2004年5月定型的，這兩者在框圖、電路結(jié)構(gòu)、外引線排列及絕大多數(shù)電參數(shù)都是相同的。所不同的僅在芯片內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電流源上，TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值)，TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。

注：表1只列出雙列直插式封裝，表貼的未列出。

STARplug采用多芯片結(jié)構(gòu)。所有控制部分用BiCMOS工藝集成在一個(gè)芯片上，而功率部分則用EZ-HV工藝做在另一個(gè)芯片上，然后在同一個(gè)基片上優(yōu)化組合而成。從制造工藝上看，飛利浦采用了先進(jìn)的全氧化隔離工藝(或稱介質(zhì)隔離工藝)，因此其有以下特點(diǎn)：

1. 可免除鎖定效應(yīng)(鎖定效應(yīng)是CMOS電路特有的一種失效模式);

2. 可以方便地在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)模擬，數(shù)字和功率電路的集成;

3. 芯片面積也比標(biāo)準(zhǔn)的PN結(jié)隔離要小;

4. 漏電流極低，適于高溫環(huán)境下工作;

5. 寄生電容小，通過(guò)襯底產(chǎn)生的串?dāng)_和EMC的概率很小;

6. 抵御外部電火花及反極性的能力強(qiáng)。

這些都有利于支撐STARplug的高性能和高可靠性。

從電路設(shè)計(jì)上看，一個(gè)重要的特點(diǎn)是提出了谷值轉(zhuǎn)換的概念。

一般說(shuō)來(lái)，功率MOS管耗散的功率是開(kāi)關(guān)電源自身功耗的主要來(lái)源。它與電源的可靠性，穩(wěn)定性，效率都密切相關(guān)。功率MOS管的功耗通常由三部分組成：

1. MOS管截止時(shí)的功耗，即VDS為高電平的功耗：這個(gè)功耗主要由漏極D和源極S之間的漏電流來(lái)決定，與芯片制造工藝有關(guān)，IDS(off)通常在微安量級(jí)，因此這部分功耗極低，一般可以忽略。

2. MOS管導(dǎo)通時(shí)的功耗，即VDS為低電平時(shí)的功耗，這個(gè)功耗主要決定于漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻RDS(on)。這與芯片設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)有關(guān)。

3. MOS管動(dòng)態(tài)功耗，即MOS管由截止向?qū)ㄞD(zhuǎn)換，或由導(dǎo)通向截止轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗。這個(gè)功耗可用下式計(jì)算：

飛利浦的電路設(shè)計(jì)師，分析了上述公式，認(rèn)識(shí)到要降低開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)功耗，只能由降低轉(zhuǎn)換時(shí)的VDS和負(fù)載下降時(shí)的f入手。通常VDS為380V左右，如果利用電路諧振將VDS于谷底(接近于0V)時(shí)，使MOS管由截止進(jìn)入導(dǎo)通，則MOS管的動(dòng)態(tài)功耗將下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。為此，在電路設(shè)計(jì)上，加上了谷值檢測(cè)電路，一旦電路諧振，能正確地測(cè)出“谷底”，并在VDS進(jìn)入“谷底”之時(shí)，在柵極G和源極S之間輸入經(jīng)PWM后的脈沖上升沿。

上個(gè)世紀(jì)90年代的PWM芯片，工作頻率f大多為固定頻率。為了降低功耗，特別是降低待機(jī)功率，STARplug采取了可調(diào)變頻率的靈活電路設(shè)計(jì)。用戶設(shè)定的頻率為滿載時(shí)的工作頻率。當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，工作頻率也相應(yīng)下降。從而保證了待機(jī)功耗低于100mW。

此外，STARplug系列芯片用高壓電流源來(lái)啟動(dòng)，一旦IC進(jìn)入正常工作狀態(tài)，則高壓電流源將自動(dòng)切斷，從而減少了電路的功耗。由此可知，電路的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。都貫徹了一條減少功耗的思想，正是因?yàn)楣β蔒OS管和控制部份都有效地大幅度地減少了功耗，因此就能夠?qū)⒐β势骷涂刂齐娐?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/集成">集成在一個(gè)封裝中，有效地減少了外圍元件。另外為了使電路能可靠地工作，還提供了完善的保護(hù)功能，包括了逐個(gè)周期過(guò)流保護(hù)、欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、繞組短路保護(hù)、退磁保護(hù)。

STARplug功能描述

1. STARplug的結(jié)構(gòu)

圖1是STARplug的內(nèi)部電路框圖。不難看出，圖中包括功率MOS管和控制電路兩大部分。功率MOS管主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的傳輸和轉(zhuǎn)換。而控制電路則肩負(fù)三大任務(wù)：

1. 實(shí)現(xiàn)所有保護(hù)功能的快速反應(yīng)。

2. 谷值電平的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

圖1：STARplug內(nèi)部電路框圖

STARplug是基于不連續(xù)方式(DCM)反激式拓?fù)湓O(shè)計(jì)的。有兩種反饋方式：

1.變壓器輔助繞組反饋，(此繞組同時(shí)用作IC的供電)(見(jiàn)圖2)。

2.變壓器次級(jí)繞組經(jīng)光耦反饋(見(jiàn)圖3)

2. STARplug工作原理(見(jiàn)圖1、圖2)。

交流電源經(jīng)整流濾波后輸出Vdc，經(jīng)變壓器初級(jí)加到TEA162X的DRAIN端(第8腳，略稱Dr端)，經(jīng)芯片內(nèi)部的高壓電流源(圖1)，通過(guò)Vcc端(第1腳)向電容器C5充電，當(dāng)C5充電電壓Vc5達(dá)到并超過(guò)VCC啟動(dòng)電壓的下限9V時(shí)，TEA162X開(kāi)始工作。

作為TEA162X的第一項(xiàng)工作就是加電清零(見(jiàn)圖1)，使片中邏輯電路處于初始狀態(tài)，MOS功率管處于低電平。變壓器初級(jí)電感有電流通過(guò)，并逐步加大。與此同時(shí)，接在RC腳上的電阻R和電容C使振蕩器產(chǎn)生振蕩。經(jīng)PWM的比較器和驅(qū)動(dòng)器使MOS功率管由低電平轉(zhuǎn)換到高電平。這時(shí)儲(chǔ)存在初級(jí)電感和磁芯氣隙中的能量立即傳送到變壓器的次級(jí)和輔助繞組。輔助繞組感應(yīng)的交變電壓經(jīng)整流后加到VCC端，當(dāng)此電壓達(dá)到VCC啟動(dòng)電壓后，則由高壓電流源送來(lái)的電流將其中斷，由Vaux取代，使TEA162X繼續(xù)工作。一旦Vaux下降到Vcc啟動(dòng)電平之下，或進(jìn)入停止電平時(shí)，則TEA162X停止轉(zhuǎn)換，并重新由整流后的電網(wǎng)電壓Vdc啟動(dòng)。