PWM开关调整器介绍及其应用电路

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一、概述 进入20世纪90年代以来，全球开关型电源（SMPS）的年产量突破了10亿台。在SMPS中，200W以下的中、低功率产品占90％左右。　　小型化、模块化、轻量化、绿色化、高效率和高可靠性，是新型SMPS的主要特征。SMPS的设计涉及到电气工程的许多方面，诸如EMC、PFC、热学、尺寸、重量、成本和可靠性等。微电子技术日新月异的发展，为工程技术人员简化SMPS的设计提供了有效手段。近几年来，世界一些着名的半导体制造商，竞相推出PWM开关调整器，除较大的电容和磁性元件外将各种功能的器件都集成到单片IC中或将功能完善、性能先进的PWM控制器与高压开关MOSFET封装在一起，从而有效地减少了SMPS设计工作量，使线路更加简单紧凑，大大地提高了SMPS的可靠性和性能价格比。　　二、主要特征及优点 不论是哪一个公司生产的，也不论是什么型号的PWM开关调整器，尽管其内部结构和电气特性不同，但都具有以下几方面的特征和优点：　　1　集PWM控制器与高压功率开关（MOSFET）于一体，引脚数量大为减少。　　在PWM开关调整器内部结构组成上，分两种类型：一种是功率低一些的产品，其PWM控制器和功率MOSFET集成在同一个芯片上；另一种则是将PWM控制器与MOSFET通过隔离置于同一封装中。PWM开关调整器的引脚一般仅为3～5个，有的虽然采用8脚或16脚封装，但其中有些引脚悬空或接地，从而使SMPS的印刷电路板（PCB）设计简化，面积减小。　　例如某公司生产的智能电源开关（SmartPowerSwitch，缩写为SPS）其内部结构如图1所示。SPS内装有性能先进的PWM控制器和带有电流检测功能的开关MOSFET（SENSFET），3A／800V的器件采用4脚TO－220F封装，6A、8A／800V的采用5脚TO－3P封装，10A／800V的采用5脚TO－3PL封装。 2　将PWM控制器和功率MOSFET的外围元件尽可能地集成到PWM开关调整器中，使周围元件至少减少50％～70％。从而大大地减小了PCB的尺寸和SMPS的成本。　　图2为PWM开关调整器节省外围元件的示意图。图2（a）示出的是SPS将MOSFET的栅极驱动网络（Ron和Roff与高速开关二极管1N4148组成加速电路）及800V的功率MOSFET源极电流检测电阻RS均集成到控制IC上。图2（b）显示出SPS可以节省MOSFET栅极钳位齐纳二极管，并使栅极驱动电流独立于工作电源VCC之外，在开关损耗与EMI之间实现了最优化折衷和比较理想的栅极驱动。SPS前沿消隐（LEB）电路可以省略外部低通滤波器元件（Rr、Cr），并使开通时间最小化，不会引起电流检测失真，如图2（c）所示。大多数PWM都可以省略振荡器定时元件，如图2（d）所示。像TOPSwitch，集PWM控制器和MOSFET于一体的PWM开关调整器，还可以节省PWMIC的一个电源（Vcc）、电路中的起动电阻、辅助绕组及整流二极管和滤波电容等元件，如图2（e）所示。此外，多数PWM开关调整器还将软起动等元件集成化。 3　完善的保护功能，大大提高了SMPS的可靠性。　　所有PWM开关调整器，都采用电流模式控制，具有完善的保护功能，诸如：输入欠压保护；过载保护；过电压保护，过热保护等。　　4　起动电流小，在待机状态下实现了低功耗。多数PWM开关的起动电流仅数百μA，在猝发模式工作时，系统总功耗低于1W。　　5　除部分TOPSwitch－I系列IC只适用于100Vac（日本）和115Vac（美国）外，其它PWM开关调整器能使SMPS的AC输入电压范围在85～265V，适用于全球（包括中国220Vac和欧洲230Vac）的工频电源，而不需要选择开关。　　6　价格低廉，高性能价格比。目前PWM开关的单价仅约0.5～2美元，具有很高的性能价格比。三、代表性产品及其应用 近几年来，世界一些着名的半导体厂商都瞄准了PWM开关调整器巨大的显在和潜在市场，竞相推出各具特色的系列产品。下面重点对近期研制具有代表性的PWM开关作一简单介绍。　　1　TOPSwitch－Ⅱ系列PWM开关TOPSwitch－Ⅱ是PowerIntegration公司于1997年推出的第二代三端离线式PWM开关（Three－terminalofflinePWMSwitch），型号有TOP221～TOP227。　　图3为TOP227Y在150WPC主电源中的应用电路。该SMPS的AC输入电压为100／115V和220／230V。S1是转换开关，C11、R9、D1和VR1～VR3为变压器T1提供复位电压，并对在TOP227Y关断时变压器漏感产生的前沿电压尖峰起箝位作用。SMPS的DC输出电压经R4、R5电压分配器采样，并通过IC3（TL431）和光耦合器IC2反馈至TOP227Y的控制脚（C），以调节开关占空比。T1选用EI或EE磁心，LNp=500～1200μH，一次、二次绕组匝数比Np∶Ns=[Ui（min）/Uo]×[DMAx/（1－Dmax）]。其中，最大占空比Dmax一般取50％。　　2.西门子公司生产的SPH4692及CoolSETTM系列PWM开关 SPH4692采用P－DIP－18－4封装，内含TDA4605－3型SMPSIC和600V、2A的BUZ92型MOSFET,内部功能如图4（a）所示。SPH4692在二次侧开路或短路条件下履行突发操作，提供过载保护，（e）TOPSwitch－ⅠⅠ节省IC起动元件VCC电源电路元件。同时具有过热（设定点为150℃）保护功能。　　SPH4692芯片上的振铃抑制电路，可以有效地抑制变压器寄生振荡。由SPH4692组成的25WSMPS电路如图4（b）所示。图中，R1是SPH4692脚16（Vcc）的起动电阻，C8是IC脚17的软起动电容，IC脚3用作一次侧电压检测，脚2为一次侧电流模拟输入，脚18用作过零检测，脚1用作电压调整。SMPS的谐振频率主要由电容C3和一次侧电感（Ln2）决定。上一页13.三星生产的电源开关 SPS图5为用三星公司生产的KA2S0680型SPS作为PWM开关的15寸彩色显示器电路。该SMPS的AC输入电压范围是85～265V，最大输出功率80W，效率为70％，工作频率为31～64kHz。　　4.ST公司生产的PWM开关 VIPer50/VIPer100是ST公司于1997年7月推出的集先进的PWM电路和优化的高压纵向MOSFET于一体的PWM开关。具有突发模式操作功能，在不加额外元件的情况下，可实现待机状态下的起动。在85～270V的AC输入电压下，器件的最大输出功率为50W。180～270V电压在欧洲和中国市电电压范围内，最大输出功率为100W。 图4SPH4692内部结构及由其组成的25WSMPS电路上一页12 L6590是ST公司于1999年2月推出的一种完全集成的PWM开关。在芯片上集成了PWM控制器和700V的功率MOSFET，L6590的内部振荡器固定工作频率为100kHz，最大输出功率为15W。IC的保护功能包括电流限制、输出过电压保护及热关闭等。在轻载条件下，L6590可自动将工作频率从100kHz减至25kHz，从而提高了SMPS的效率。　　L6590的主要应用包括：监视器、FAX、TV、激光打印机、桌上服务器等；AC－DC适配器；高压DC／DC变换器及线卡（Linecard）应用等。L6590典型应用拓朴如图6所示。 四、结语 本文介绍的PWM开关器件只是代表性产品，半导体厂商依靠各自的技术优势，必将继续研制出功率更大、功能更齐全、性能更优异和集成度更高的智能化PWM开关系列产品，并很可能会与PFC控制器集成于一体。设计人员只要外加非常少量的元件，就可以轻而易举地制作成新一代SMPS产品。上一页123