MC33370系列單片開關集成電路及其應用

摘要：MC33370系列IC產(chǎn)品是美國摩托羅拉（Motorola）公司新近推出的五端單片開關電源集成電路。該系列產(chǎn)生具有較完善的工作狀態(tài)控制能力。本文闡述了它們的性能特點、內(nèi)部結構和工作原理，并對其狀態(tài)控制方式進行了較為詳細的分析，最后給出了構成并關電源的典型實例。

關鍵詞：開關穩(wěn)壓電源 MC33370 可編程狀態(tài)控制器

1 概述

開關穩(wěn)壓電源以其小型化、重量輕和高效率而成為電源發(fā)展的方向，并且正在逐步替代串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源。美國摩托羅拉（Motorola）公司推出的MC33370系列五端單片開關電源集成電路具有MC33369～MC33374等五種規(guī)格，共17種型號。與美國動力（Power）公司生產(chǎn)的TOPSwitch系列三端單片開關電源相比，該系列增加了電源端和狀態(tài)控制端兩個引出腳，特別是其內(nèi)部新增了可編程（開/關）狀態(tài)控制器，因此可通過其輸入端，并配合手動按鍵、微控制器（MCU）、數(shù)字電路方式來完成對電源工作模式的選擇。這使得其控制功能更中完善，使用更加靈活，性能價格比更加優(yōu)越，可成為設計單片開關電源的首選集成電路之一。

2 MC33370系列的分類及特點

該產(chǎn)品有三種封裝形式：DIP-8雙列直插式（P后綴），TO-220直列式（TV后綴），TO-220直彎式（TV后綴）。表1以TO-220直列式封裝為例說明了MC33370系列的部分產(chǎn)品分類。

表1 MC3370系列部分產(chǎn)品分及最大輸出功率

該系列的性能特點如下：

●該系列IC較TOPSwitch系列增加了電源端和狀態(tài)控制器的輸入器。其狀態(tài)控制端利用可編程控制器及外部模式選擇電路可實現(xiàn)多種控制方式，并可實現(xiàn)電源工作狀態(tài)和備用狀態(tài)之間的切換。同時該芯片內(nèi)部還增加了欠壓鎖定比較器、外部關斷電路和狀態(tài)控制器，因而其性能價格比更優(yōu)，外圍電路更趨簡單；

●其功率開關管由一只高壓結場型場效應管（JEET）和一只低壓MOS場效應管（MOSFET）串聯(lián)而成，該結構被稱為“敏場效應管”電流傳感式功率開關管，利用它可無功耗地實時檢測出漏極電流的大小并進行過流保護，而從提高電源效率；

●當交流電壓為固定值或變化量不超過±20%時，可以省掉高頻變壓器的反饋線圈以及相應的高頻整流濾波元件。這有助于簡化外圍電路、減少體積、降低成本；

●占空比調(diào)節(jié)范圍寬達0.1～74%。而POWER公司的TOPSwitch-Ⅱ為1.7%～67%；

●電源效率高。由它構成的單片開關電源或電源模塊的效率可達80%以上，而備用狀態(tài)下的靜態(tài)功耗僅為幾十至幾百毫瓦；

●芯片溫度特性有了進一步提高，過熱保護溫度典型值為157℃（TOPSwitch-Ⅱ的設計參數(shù)為135℃）。

3 管腳結構及工作原理

3.1 管腳結構

MC33370系列IC的管腳排列如圖1所示。

在MC33370系列IC中，采用DIP-8封裝的產(chǎn)品增設了4個GND端，但仍等效于五端器件，下面簡述其各管腳功能。

Vcc（1腳）為工作電源電壓的輸入端，當Vcc>8.5V時，啟動電路中的MOS場效應管立即關斷，此時功率開關管開始工作。當開關電源發(fā)生過載或短路故障而命名Vcc小于7.5V時，功率開關管將會關斷，而此時供啟動用的MOS場效應管將開始工作。

FB（2腳）為反饋輸入端，通過該端可將反映開關電源輸出電壓高低的反饋電壓經(jīng)內(nèi)部電阻接至誤差放大器的反相輸入端，以調(diào)節(jié)PWM比較器輸出脈沖的占空比，從而控制功率開關管的通、斷時間。

GND（3腳）為接地端，該端除作為控制電路和功率開關管的公共接地端以外，還可兼作器件散熱器的地端。

SCI（4腳）為狀態(tài)控制的輸入端，該端只需外接少許外圍元件即可用多種方式來控制變換器的工作狀態(tài)。

D（5腳）為功率開關的漏極引出端，該端能直接驅(qū)動高頻高壓器初級，并與內(nèi)部啟動用MOS場效應管的漏極相連。

3.2 MC33370系列器件的工作原理

MC33370系列IC的內(nèi)部結構及工作原理如圖2所示。

在電路啟動階段，交流電壓經(jīng)整流后從5腳直接加到啟動電路，然后用啟動電路給Vcc端的旁路電容充電。當Vcc升至工作閾值電壓8.5V時，啟動電路被關斷，啟動過程自動完成，芯片轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。

在正常工作狀態(tài)，器件通過反饋線圈及外接取樣電路從2腳輸入反饋電壓。該反饋電壓首先在并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器中進行緩沖放大，接著由IFB在反饋電阻RFB上形成誤差電壓Vr，然后用Vr來調(diào)節(jié)PWM比較器的輸出脈占空比，以控制功率開關管的通斷時間。當輸出電壓上升時，采樣電阻RFB上端的誤差電壓Vr也升高。而在與振蕩器輸出的鋸齒波比較后，輸出電壓的占空比將減少，從而使開關電源的輸出電壓隨之下降。反之亦然。

與TOPSwitch系列相比，MC33370系列IC芯片的突出結構特點是在內(nèi)部增加了欠壓鎖定比較器、外部關斷電路和可編程狀態(tài)控制器。

其中欠壓鎖定比較器的功能是在電源正常工作之前，使芯片內(nèi)部各電路做好準備工作，并檢測第2腳的反饋電壓。當VFB>8.5V時，器件將接通內(nèi)部偏置電壓而使功率開關管工作。

外部關斷電路的功能是防止開關電源因突然發(fā)生空載現(xiàn)象而導致輸出電壓的急劇升高，它由外部關斷電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)。當從外部流入關斷電路的反饋電流大于關斷門限電流（60mA）時，關斷觸發(fā)器將功率開關處于關斷狀態(tài)，從而起到保護作用。

狀態(tài)控制器配以少量外圍元器件便可構成多種類型的智能控制開關電源通/斷電路，以完成對電源備用模式或工作模式的選擇。其控制信號可由外部按鍵開關來產(chǎn)生，也可以是微控制器輸出的經(jīng)光耦隔離的信號或二者的組合信號等。圖3分別給出了幾種控制方式原理圖。

在手動控制模式中，按鍵開關每接通一次，即產(chǎn)生一個低電平的觸發(fā)請求信號，該信號通過狀態(tài)控制器來控制開關電源的工作工作，從而使開關電源在工作模式和備用模式之間轉(zhuǎn)換。

在微控制器控制模式中，微控制器可根據(jù)程序執(zhí)行情況，確定開關電源是否進入以及何時進入備用狀態(tài)。觸發(fā)請求按鍵用于將開關電源置于工作狀態(tài)，如果電源已經(jīng)處于工作狀態(tài)，則該按鍵將不起作用。

低壓保護控制用來在電網(wǎng)電壓過低時關斷開關電源的輸出，其交流輸入電壓u經(jīng)整流濾波后得到的直流高壓V1可加至穩(wěn)壓二極管VDz的負極，當u出現(xiàn)低壓時，將使狀態(tài)控制器輸入低電平（1.8V），此時狀態(tài)控制器將迫使開關電源立即從工作模式轉(zhuǎn)入備用模式；當u恢復到正常值后，狀態(tài)控制器的輸入端變成高電平，從而通過狀態(tài)控制器內(nèi)部的置位比較器又將開關電源從備用模式轉(zhuǎn)入工作模式。

數(shù)字信號控制模式可利用數(shù)字信號來控制開關電源的通斷，當數(shù)字信號為低電平進，晶體管VT截止，并由上拉電阻R使狀態(tài)控制器輸入高電平，從而使開關電源處于工作狀態(tài)；當數(shù)字脈沖信號為高電平時，晶體管VT導通，狀態(tài)控制器輸入低電平，再使內(nèi)部觸發(fā)器比較器翻轉(zhuǎn)，從而將開關電源又轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)。

禁用狀態(tài)控制模式有兩種方式，其作用是在不需要對開關電源進行通/斷操作時使狀態(tài)控制端失效。其中方式一是采用上拉電阻R（要求R>5.0kΩ）來保證正常的電路啟動。而方式二則是利用在該端與地之間接入的一個小電容CST來防止懸空后外界干擾造成狀態(tài)控制器的誤操作。

4 典型應用

MC33370系列單片開關電源的應用非常廣泛，可用來構成輸出功率在150W以下的各種開關電源，圖4給出了采用MC33374設計的15V/90W高精度開關電源的應用電路，其交流輸入電壓的允許變化范圍為92～276V。

圖4中，交流電網(wǎng)電壓經(jīng)整流橋VD1～VD5和濾波電容C1整流濾波后進入初級保護電路。初級保護電路由R2、C2組成的吸收電路和由VDZ、VD5組成的箝位電路構成，它們能有效地抑制因高頻變壓器存在的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓。次級高頻整流管VD7選用大電流、低壓降的肖特基二極管MBT20100CT，由8、C11、L、C12、C13組成輸出濾波電路。可調(diào)試并聯(lián)穩(wěn)壓器IC3構成外部誤差放大器，它與光耦合器IC2（MOC8103）一起構成光耦反饋電路并將反饋電壓加至MC33374的反饋端。當輸出電壓V0發(fā)生波動時，經(jīng)分壓電阻R5、R6分壓后得到的取樣電壓與IC2中的基準電壓進行比較，以產(chǎn)生外部誤差電壓，再通過光耦合器使IC1和2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應的變化，并以此來調(diào)節(jié)輸出占空比，從而達到穩(wěn)壓的目的。C14是一個可防止高頻變壓器初次級間耦合電容造成共模干擾的濾波電容，C4、R7和SB按鈕開關一起構成了手動觸發(fā)式狀態(tài)控制器，C4為控制環(huán)路的補償電容。R4為LED的限流電阻。

5 結束語

近年來，電源技術得到了快速發(fā)展。世界各國也在加緊研制新型開關電源，其中包括一些新的理論、新的電路方案和新的功率器件，從而使得新型開關電源技術得到迅速發(fā)展，目前采用表面安裝技術（SMT）和表面安裝元器件技術（SMD）的開關電源模塊的電源性能和可靠性已大大提高，并為儀器儀表、通信技術、計算機和家電產(chǎn)品的發(fā)展打下了良好的基礎。