智能功率开关电源IC设计

1引言开关电源是近几年电源市场的焦点之一，它最大的优势是大幅度缩小变压器的体积和重量，这样就缩小了整个系统的体积和重量。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。所以开关电源对低档的线性电源，尤其是20W以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势。但是传统的开关电源除了pWM和功率MOSFET之外还包括50个左右的分立元件，这不但新增了成本、体积，而且还使可靠性受到了影响。这紧要是加工工艺上的原由，开关电源在集成化上一直没有冲破。

近几年，随着加工工艺技术的成熟，已经能将低压控制单元和高压大功率管集成到同一块芯片之中。TI、ONSemIConductor、power、Integrations等公司都已经有类似的产品，而国内则几乎是一片空白。由于开关电源在体积、重量、效率以及可靠性上的优点，它的研究和发展速度是惊人的。

其紧要使用范畴有：①邮电通信：作程控交换机、移动通信基站电源；②计算机：作为各种pC机、服务器、工业控制机的开关电源；③家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等；④其他行业：如电力、航天、军事等范畴。

依据工艺的发展和市场的要，将核心部分功率MOSFET和低压pWM控制器集成在一块芯片中。同时，还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启动、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优点。该芯片交流输入可笔直从电网接入，使用功耗低，成本低，体积小，同时还提高了系统的稳定性，降低了成本，使电子工程师的设计更加简单。该芯片可用于驱动一个单端接地电源系统，如接一个振荡回扫的二次线圈变压器后输出一直流电压。

2工作原理

此开关电源为一中频集成模块，设计频率为100kHz，最大占空比为70％，它包括一个恒频脉宽调制器和一个高集成度电源开关电路，其结构如图1所示。这个组合开关的高压侧可对从85~265V的交流电压进行继续控制，可以使用于多数常规电源系统。

通过一个光电耦合管，将负载变化情况反馈到芯片内部，反馈信号在2.7k的电阻上出现电压降，经过7kHz的低通滤波器，把高频开关噪音滤掉，以直流电压形式输入到pWM模块进行调节，出现占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动功率MOSFET，从而实现了pWM的调节。除此之外，功率MOSFET的源极接一电阻，来实现每周期的限流保护。

正常情况下，1/8分频器输出信号使得功率MOSFET导通，若故障发生，它的输出信号使得功率MOSFET关断，并且它自身开始计数，第1个周期，功率MOSFET导通。若没有排除，以此规律循环下去；若故障排除，则进入正常工作状态。该IC外接变压器，实现AC-DC功能后，不同规格的变压器可获得不同的直流电压。

3内部功能模块解析

3.1振荡器电路

如图2所示，该振荡器利用两个比较器轮流导通，对电容进行充放电，获得了在电压在2.7~4.1V震荡的锯齿波。其设计频率为100kHz，占空比为70%。对电容充放电时，利用MOS管饱和区工作电流恒定的原理，实现恒流充放电。其等效简化电路模型如图3所示。充电时，开关S合到3端，可得

DQ="DU"×C(1)

且DU=4.1-2.7=1.4v(3)

式中，C=40pF,Ip="18".6mA，可以计算出Tp="3ms"。放电时，开关S打到8端，可得

式中，IN=8mA，可以计算出TN=7ms。

T="Tp"+TN="10ms"(5)

占空比的设计也是要考虑的，当占空比提高后，整个IC及外接电路构成的电源效率都会提高。

但是又不能无限的提高，使之接近100％，这紧要是变压器磁通的建立和恢复是有时间限制的。同时，长时间的导通，功率MOSFET容易烧坏。

3.2偏置电路

该电路采用三管能隙基准电源，如图4所示。T2的发射极电压如式(6)所示。由公式可知，利用等效热电压Vt的正温度系数和Vbe的负温度系数相互补偿，可使输出基准电压的温度系数接近为零（由于T6和T2的Vbe相同，所以输出电压Vref和T2发射极电压相同）。

3.3pWM调制电路

由光耦管耦合过来的反应负载变化情况的信号首先经过一个7kHz的低通滤波器，然后送到pWM比较器和振荡器出现的锯齿波进行比较，从而实现脉宽调制。该低通滤波器的频率应和为

可作为设计参数使用。

3.4过压保护，欠压锁定电路

设计的内部电路工作电压环境为7.5~8.6V，该电路如图5所示，由比较器C1，C2和电阻R1、R2、R3、R4组成。由于迟滞比较器的用途，当Vcc处于7.5~8.6V时，IC正常运行。当Vcc>8.6V时，C1输出高电平，笔直使放电NMOS管导通，进行放电。该NMOS管设计得比较大，这样可以迅速地放电，使IC及时地回到安全状态。若该Vcc故障依然存在，将用八分频计数器来计数。这个八分频计数器使得功率MOSFET封闭，电容将在8个继续周期内反复充放电，8个周期后，若故障排除，整个IC进入正常工作状态，功率MOSFET开通。这种设计可大大减少功率MOSFET的耗散功率。当内部工作电压Vcc

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