1 引言
       開關(guān)電源是近幾年電源市場(chǎng)的焦點(diǎn)之一,，它最大的優(yōu)點(diǎn)是大幅度縮小變壓器的體積和重量,，這樣就縮小了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。一般說來,，開關(guān)電源的重量是線性電源的1/4,，相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3。所以開關(guān)電源對(duì)低檔的線性電源,，尤其是20W以下的線性電源構(gòu)成了威脅,，大有取而代之之勢(shì)。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電源除了PWM 和功率MOSFET之外還包括50個(gè)左右的分立元件,，這不但增加了成本,、體積，而且還使可靠性受到了影響,。這主要是生產(chǎn)工藝上的原因,，開關(guān)電源在集成化上一直沒有突破。

       近幾年,，隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟,，已經(jīng)能將低壓控制單元和高壓大功率管集成到同一塊芯片之中。TI,、ON SemIConductor,、Power、 Integrations等公司都已經(jīng)有類似的產(chǎn)品,，而國內(nèi)則幾乎是一片空白,。由于開關(guān)電源在體積、重量,、效率以及可靠性上的優(yōu)勢(shì)，它的研究和發(fā)展速度是驚人的。

其主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①郵電通信：作程控交換機(jī),、移動(dòng)通信基站電源,；②計(jì)算機(jī)：作為各種PC機(jī)、服務(wù)器,、工業(yè)控制機(jī)的開關(guān)電源,；③家用電子產(chǎn)品：目前使用開關(guān)電源的家用電子產(chǎn)品有電視機(jī)、影碟機(jī)等,；④其他行業(yè)：如電力,、航天、軍事等領(lǐng)域,。

       根據(jù)工藝的發(fā)展和市場(chǎng)的需要,，將核心部分功率MOSFET和低壓PWM控制器集成在一塊芯片中。同時(shí),，還具有過熱保護(hù),、過壓保護(hù)、欠壓鎖定,、自動(dòng)重啟動(dòng),、過流保護(hù)等功能。這種新型的開關(guān)電源集成電路給電源系統(tǒng)帶來了很多優(yōu)勢(shì),。該芯片交流輸入可直接從電網(wǎng)接入,，應(yīng)用功耗低，成本低,，體積小,，同時(shí)還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了成本,，使電子工程師的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單,。該芯片可用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)單端接地電源系統(tǒng)，如接一個(gè)振蕩回掃的二次線圈變壓器后輸出一直流電壓,。

        2 工作原理

       此開關(guān)電源為一中頻集成模塊,，設(shè)計(jì)頻率為 100kHz，最大占空比為70％,，它包括一個(gè)恒頻脈寬調(diào)制器和一個(gè)高集成度電源開關(guān)電路,，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個(gè)組合開關(guān)的高壓側(cè)可對(duì)從85~265V的交流電壓進(jìn)行連續(xù)控制,，可以應(yīng)用于多數(shù)常規(guī)電源系統(tǒng),。

        通過一個(gè)光電耦合管，將負(fù)載變化情況反饋到芯片內(nèi)部,，反饋信號(hào)在2.7k的電阻上產(chǎn)生電壓降,，經(jīng)過7kHz的低通濾波器，把高頻開關(guān)噪音濾掉，以直流電壓形式輸入到PWM模塊進(jìn)行調(diào)節(jié),，產(chǎn)生占空比隨反饋信號(hào)變化的脈沖波,，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)了PWM的調(diào)節(jié),。除此之外,，功率MOSFET的源極接一電阻，來實(shí)現(xiàn)每周期的限流保護(hù),。

        正常情況下,，1/8分頻器輸出信號(hào)使得功率 MOSFET導(dǎo)通，若故障發(fā)生,，它的輸出信號(hào)使得功率MOSFET關(guān)斷,，并且它自身開始計(jì)數(shù)，第1 個(gè)周期,，功率MOSFET導(dǎo)通,。若沒有排除，以此規(guī)律循環(huán)下去,；若故障排除,，則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。該IC外接變壓器,，實(shí)現(xiàn)AC-DC功能后,，不同規(guī)格的變壓器可獲得不同的直流電壓。

       3 內(nèi)部功能模塊介紹

       3.1 振蕩器電路

       如圖2所示,，該振蕩器利用兩個(gè)比較器輪流導(dǎo)通,，對(duì)電容進(jìn)行充放電，獲得了在電壓在2.7~4.1V震蕩的鋸齒波,。其設(shè)計(jì)頻率為100kHz,，占空比為 70%。對(duì)電容充放電時(shí),，利用MOS管飽和區(qū)工作電流恒定的原理,，實(shí)現(xiàn)恒流充放電。其等效簡(jiǎn)化電路模型如圖3所示,。充電時(shí),，開關(guān)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,，可以計(jì)算出T P="3ms"。 放電時(shí),，開關(guān)S打到8端,，可得   

       式中,，IN=8mA，可以計(jì)算出 TN =7ms,。

       T="Tp"+T N="10ms" (5)

       占空比的設(shè)計(jì)也是需要考慮的,，當(dāng)占空比提高后，整個(gè)IC及外接電路構(gòu)成的電源效率都會(huì)提高,。

       但是又不能無限的提高，使之接近100％,，這主要是變壓器磁通的建立和恢復(fù)是有時(shí)間限制的,。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)通,，功率MOSFET容易燒壞,。

       3.2 偏置電路

       該電路采用三管能隙基準(zhǔn)電源，如圖4所示,。 T2的發(fā)射極電壓如式(6)所示,。由公式可知，利用等效熱電壓 Vt的正溫度系數(shù)和Vbe 的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償,，可使輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近為零 （由于T6和T2的Vbe相同,，所以輸出電壓 Vref和T2發(fā)射極電壓相同）。

             3.3 PWM調(diào)制電路

       由光耦管耦合過來的反應(yīng)負(fù)載變化情況的信號(hào)首先經(jīng)過一個(gè)7kHz的低通濾波器,，然后送到PWM比較器和振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較,，從而實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。該低通濾波器的頻率響應(yīng)為

       可作為設(shè)計(jì)參數(shù)使用,。

       3.4 過壓保護(hù),，欠壓鎖定電路

       設(shè)計(jì)的內(nèi)部電路工作電壓環(huán)境為7.5~8.6V，該電路如圖5所示,，由比較器C1,，C2和電阻R1 、R2,、R3,、R 4組成。由于遲滯比較器的作用,，當(dāng)Vcc 處于7.5~8.6V時(shí),，IC正常運(yùn)行。當(dāng)Vcc >8.6V時(shí),，C1輸出高電平,，直接使放電NMOS管導(dǎo)通，進(jìn)行放電,。該NMOS管設(shè)計(jì)得比較大,，這樣可以迅速地放電,，使IC及時(shí)地回到安全狀態(tài)。若該 Vcc故障仍然存在,，將用八分頻計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù),。這個(gè)八分頻計(jì)數(shù)器使得功率MOSFET關(guān)閉，電容將在8個(gè)連續(xù)周期內(nèi)反復(fù)充放電,，8個(gè)周期后,，若故障排除，整個(gè)IC進(jìn)入正常工作狀態(tài),，功率MOSFET開通,。這種設(shè)計(jì)可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當(dāng)內(nèi)部工作電壓Vcc<7.5V時(shí),，C1輸出一低電平,，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)高壓?jiǎn)?dòng)電路,，對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電,。同時(shí)，該低電平也送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),，這樣便實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)功能,。一般說來Vcc <7.5V，是由負(fù)載短路或過載引起電源變壓器的附加線圈輸出電壓失落,，沒有足夠的電壓對(duì)芯片供電所致,。

      3.5 熱關(guān)斷電路

      熱關(guān)斷電路如圖6所示。正常情況下T ＝25℃,，Vz＝6.3V,，V BE1＝0.75V，VBEH=0.65V,，此時(shí) VH = R3 ( Vz -VBE1) / (R2+R3)=0.43V< VBEH

      故Q1不導(dǎo)通,，從而Vout 為高電平。

      故障狀態(tài),，穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)為正,，而晶體管的VBE 為負(fù)溫度系數(shù)。設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)能力(當(dāng)T＝150℃)為

      同樣計(jì)算可得VH(150℃)＝0.46V,，這樣Q 2 導(dǎo)通,，Vout為低電平。此信號(hào)直接關(guān)斷功率MOSFET,。同時(shí)這個(gè)脈沖信號(hào)也輸入到1/8分頻器,，做計(jì)數(shù)用。

      3.6 高壓?jiǎn)?dòng)電路

      高壓?jiǎn)?dòng)電路如圖7所示,，當(dāng)IC上電后,，整個(gè)IC處于建立工作環(huán)境的狀態(tài),。VDMOS的柵極為高電平，則該管導(dǎo)通,，Out端有充電電流,。當(dāng) Vcc達(dá)到8.6V時(shí)，過壓保護(hù)電路送來信號(hào) Vstart為一低電平,，使得P2導(dǎo)通,，這樣VDMOS截止。另外 R1的作用是充電電流過大時(shí),，使P1,、Q1導(dǎo)通，使 VDMOS截止,，起到保護(hù)作用。此充電電流能力設(shè)計(jì)值為3mA,，超過該值,，VDMOS就會(huì)截至。根據(jù)計(jì)算,，整個(gè)IC建立工作環(huán)境所需的時(shí)間為40ms,，與實(shí)際仿真結(jié)果相符。

       3.7 驅(qū)動(dòng)電路

       設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的目的是為了去除驅(qū)動(dòng)信號(hào)的毛刺和對(duì)功率MOSFET的柵極起保護(hù)作用（圖8）,。正常時(shí),，N1、N2,、N3都處于截止?fàn)顟B(tài),。當(dāng)電路內(nèi)部電源電壓Vcc由低電平突然變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，電容C兩端電壓不能突變,，這樣N1導(dǎo)通,，使輸出為0。另外當(dāng)IC突然上電時(shí),，由于功率MOSFET的柵漏電容的存在,，使柵極的電壓為高電平，但是由于設(shè)計(jì)中加了電阻 R和N3的存在,，對(duì)柵極構(gòu)成旁路,，起到保護(hù)作用。最后就是如果IC突然斷電時(shí),，則功率管漏極沒有大電流供給,。如果此時(shí)驅(qū)動(dòng)為高電平，則可以從 R上卸流,，最終使低電平變低,?？傊琋1,、N2,、N3對(duì)功率MOSFET 的柵極起保護(hù)作用。

  3.8 前沿消隱電路

       前沿消隱電路如圖9所示,。正常時(shí),，A點(diǎn)電壓較低，2管導(dǎo)通,，則C2輸出為高電平,；故障時(shí)，也就是功率MOSFET的電流過大時(shí),，A點(diǎn)電位升高,，使得2管關(guān)閉，這樣C2輸出為低電平,，出現(xiàn)故障脈沖,。值得一提的是，2管的柵極輸入信號(hào)和它的源極輸入信號(hào)不是同步的,，這樣設(shè)計(jì)的好處是可以避免短暫時(shí)間內(nèi)電流過大的情況,。若電流一直很大，則可以發(fā)揮前沿消隱作用,。這兩個(gè)信號(hào)的延時(shí)大小由幾級(jí)反相器和電容構(gòu)成,，其中以電容的貢獻(xiàn)最大，其設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間為200ns,。

       4 仿真結(jié)果

       仿真過程中,，著重對(duì)正常運(yùn)行、過壓,、欠壓,、過流、過載等情況做了分析,。圖10中模擬了負(fù)載變化時(shí)功率MOSFET輸出的變化情況,。最下面一條波形為負(fù)載情況經(jīng)過光耦合和低通濾波器后的電壓，中間一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào),，最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào),。可以看出,，由于充電,，Vcc不斷增加達(dá)到8.6V時(shí)便不再增加（過壓保護(hù)電路起作用），IC開始工作,。當(dāng)負(fù)載逐漸變小時(shí),，引起反饋電壓升高,，使得反饋到IC的信號(hào)增大，其功率MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)電壓的占空比減少,，最終為0,。

       圖11中模擬了IC內(nèi)部電壓發(fā)生異常時(shí)的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓,，中間一條波形為自動(dòng)重啟動(dòng)電路的工作信號(hào)（Vstart）,，最上面一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào)?？梢钥闯?，當(dāng)Vcc 上升到8.5V時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)電路關(guān)閉,，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),，這時(shí)功率MOSFET 還處于工作狀態(tài)。當(dāng)Vcc 降低到7.5V時(shí),，自動(dòng)重啟動(dòng)電路開始工作,，對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電。這樣反復(fù)進(jìn)行8次,，在第九個(gè)周期時(shí)，功率MOSFET再次工作,，符合最初的設(shè)計(jì)要求,。

       5 結(jié)論

       本文設(shè)計(jì)了一種適用于便攜式設(shè)備的功率開關(guān)電源的IC，通過對(duì)其功能及特性的分析,，設(shè)計(jì)了各個(gè)子模塊的電路,，并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明,，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈敏,、精確，各種保護(hù)電路動(dòng)作及時(shí)可靠,。