机顶盒与液晶电视用的低价简易开关电源设计

前言

    传统电子消费产品的AC-DC开关电源,通常需要带有多组输出隔离变压器并由一片原边电源控制器控制输出电压和电流,但这类多组输出电源的输出电流都比较小，稳定的输出电压是通过线性稳压管来实现。从设计与制造及使用的角度来看,比较麻烦而且成本也较高。需指出的是,其线性稳压管只能应用于高电压和低电流,故此种电源在应用上局限性很大,己远远不能适应新一代电子消费产品的需要。

    这是由于新一代电子消费产品如机顶盒，液晶电视(或高清晰度电视)需要的是能提供大输出电流和低输出电压的低价高效率开关电源，从而促使许多产品设计需采用分散式电源模式,也就是说,产品设计更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC-DC适配器并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。

    特别要说明的是,由于系统主芯片的电压越来越低而且电流越来越大，这样就可以使越来越多的直流开关电源能出现在系统板上的新型工装技术。

    而要提供一系列价格低廉，线路简单，性能齐全直流开关电源,其关键在于是如何应用低廉、简单，性能齐全的电源控制芯片。Semtech International公司的低价简易同步式降压控制芯片SC2618不失为一种好的选择，用SC2618只需较少外围元器件就能设计出低电压高效率降压电源。

用SC2618设计简易同步降压电源

    图1为用同步式降压控制芯片SC2618与双场效应功率管 AO4812集成块设计组成的机顶盒和液晶电视及其它消费电子产品所需的板上开关直流电源线路图。

    此电源的输入电压Vin由交流变直流适配器提供，Vin大多数为12V/5V(也有少数会用24V),输出电压是1.8V，输出电流是3.5安培。SC2618能接收4.5V至14V工作电压并有一个1.25V内部电压基准。0.5安培的场效应管驱动能使电源的输出电流达到10安培。SC2618不需要反馈补偿电路。

 
图1  用SC2618和AO4812设计的机顶盒和液晶电视等消费电子产品所需支流开关电源图

    由图1可看到，一组分压电阻(R6，R8)会将输出电压Vout信息反馈给SC2618芯片的 FB端如果输出电压Vout低于所设定的数值，高端的场效应管Q1将被导通并一直导通到输出电压Vout回升到设定的数值以上。同样的道理，如果输出电压Vout高于用户所设定的数值，高端的场效应管将被关断而低端的场效应管Q2将被导通并一直导通到输出电压下降到设定的数值以下。这种芯片模式将会使一个降压式电源工作在以下任何一种模式：
·高端场效应管导通1微秒；
·低端场效应管导通1微秒；
·高／低端场效应管各导通1微秒；

    输出短路保护是通过SC2618的反馈端电压(VFB)和它的1.25V内部电压基准电压来实现的。在正常工作时如果反馈端电压小于1.25V基准电压200mV，SC2618立刻关断高端场效应管同时内部软启动电容开始放电。如果输出短路是发生在软启动过程中，必须等软启动结束才能彻底关断场效应管并开始软启动电容放电。一旦软启动电容放电结束，新的一轮软启动又开始。

SC2618在宽输入电压时的应用线路

    虽然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之间的输入电压，但是只要在芯片的外围增加一个非常简单的线性稳压管(一个小信号晶体管和一个齐纳二极管)就可以很容易地将输入电压的范围升到20V以上。同时可以利用一个外围晶体管来关断芯片。这种电路可用在许多需要24V输入电压工作的消费类产品中。

 

图2  用SC2618设计的宽输入电压电路

    图2是一个可以工作到24V输入电压的完整电路图。输入电压可以是5V to 24V，输出电压是3.3V，输出电流是3.5A。图2中6.2V的齐纳二极管将SC2618 Vcc电压限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端场效应管的驱动电压也在5.5V。可以通过晶体管Q3来关断整个电源。

    这样的电路在机顶盒、液晶电视等产品上经常看到。像SC2618这样的同步式降压电路比许多非同步式电路在高输入电压的应用中有较大的优势。

功率场效应管的选择

    由于本直流开关电源是同步降压转换器,即有着高输入电压对低输出电压的特点,故高端场效应管导通的时间很短,低端场效应管导通的时间很长,但是低端场效应管转换电压几乎为零。在这样的应用中，栅极电容较小(内阻较大)场效应管适用于高端开关，栅极电容较大(内阻较小)场效应管适用于低端开关。在该例子中所用的场效应管是通过它的内阻(RDSON)、栅极电容／电荷和封装热阻 这3个参数来选择的。利用SC2618  0.5A内置驱动器，一个栅极电荷为25nC的场效应管会产生大约50ns的开关升／降时间  (ts=25nC／0.5A)。ts 会在高端场效应管开关时产生开关损耗(Ps)。

    在图1中，Ps是0.3W。由于在高端和低端场效应管之间无重叠传导，流过低端场效应管漏极和源极的寄生二极管或外部肖特基二极管总是在低端场效应管导通之前导通。低端场效应管导通电压仅为一个在漏极和源极之间二极管的电压。低端场效应管开关损耗为零。

    以图1为例，选用的场效应管是A04812。A04812高低端导通内阻都是28mΩ，在3.5A负载时高低端导通损耗是0.35W。整个AOS4812损耗为0.65W，在3.5A负载下AOS4812损耗为0.65W，这时AO4812 SOIC8封装结温是111.5℃。这数值远小于芯片150℃结温限制。对于大电流输出上的应用(>3.5A)，可以采用低内阻抗场效应管来限制它的导通损耗，并利用外加散热器将它的结温控制在110℃之内。

开关电源其它元件的选择

    由于SC2618不需要反馈补偿电路，故不需要设计补偿网络参数。整个电源所需要设计的参数只包括输出电感、输出电容、反馈分压电阻、输入电容、场效应管。

输出电感L 
 
    输出电感L的选择基于输出DC和瞬态的要求。大的电感值可减小输出纹波电流和纹波电压，但是在负载瞬变过程中改变电感电流的时间会加长。小的电感值可得到低的直流损耗，但是交流磁芯损耗和交流绕线电阻损耗会变大。折衷的方法是选择电感纹波电流峰峰值Ip-p在输出负载电流额定值的20％到30％之间。
 
    以图1的线路为例，Vin=12V，Vout=1.8V，Iout=3.5A，fosc=150KHz，计算出来的电感值是14.5μH．可选用市场上很容易采购到的15μH／5A表面贴电感。

输出电容Cout 

    输出电容应按照输出电压纹波和负载动态变化要求来选择。输出电感产生的纹波电流会在输出电容串联等效电阻(ESR)上产生输出电压纹波(VRIPPLE)。为了满足输出电压纹波要求，输出电容寄生串联电阻(ESR)必须满足下式：
        
    以图1为例,Vin=12V,Vout=1.8V,fosc=150KHz，L=15μH，VRIPPLE =60mV，那么计算出输出电容串联等效电阻(ESR)会在输出负载电流变化时产生一个电压变化值(VT)。为了满足输出电压电压变化值要求，输出电容串联等效电阻(ESR)必须同时满足下式：
 
    以图1为例，如果输出电压动态变化值是输出电压值的10％(VT=10％×1.8V=180mV)，如果负载电流变化值是lA，所需要的输出电容的ESR是180mΩ。为了同时满足输出电压纹波和动态变化，应该选择最小ESR的电容。所以，在本例中选用90mΩ，1000µF/16V电解电容。

反馈分压电阻R6与R8

    高端的反馈分压电阻Rtop(R6)可在5KΩ~15KΩ之间选择。低端的电阻值Rbot(R8)。最终经实验调整为22.1KΩ。一般来讲Rtop和Rbot应选用1％精密电阻。
输入电容C1(Cin)
我们选择1000µF，90mΩ电解电容。

PCB排版

    同步降压开关电源PCB排版(即线路板制作)是非常重要,它是关系到设计好的电源能否在系统上正常工作的关键。

    正确的开关电源PCB排版需要设计人员对开关电源工作原理有一定的了解,特别是设计人员需要知道高频交流电流的走线,并且能够区分低信号控制电路部分和大功率元器件走线部分。

    以图1为例,将分成控制电路部分和功率电路部分两部分；一般来讲，电源的功率电路部分包括输入电容(Cin)、输出电容(COUT)、输出电感(L)、场效应管(Ql／Q2)之间的连线用粗线走线(见图3所示)；而控制电路部分包括PWM芯片，旁路电容，自举电路，反馈电阻之间的连线用细线走线。

 

图3  为图2中功率电路部份的电流和电压波形

    图3显示功率电路部分的电流和电压波形图。可以看到高频率交流电流会周旋在由场效应管和输入电容所组成的回路中。所以此回路中元器件之间的PCB走线要短而且要宽。此回路截面积要越小越好。小回路面积将大大地减小EMI噪声并产生一个比较安静的功率地。安静的功率地会使场效应管的栅极驱动电压波形非常干净。CIN可用大容量电解电容和小容量瓷片电容并联，并要靠近场效应管。如果高频交流电流的回路面积很大，就会在回路的内部和外部产生很大的电磁千扰  (EMl)。如果同样的高频交流电流的回路面积设计得非常小，回路内部和外部的电磁场互相抵销，整个电路会变得非常安静。

    高端场效应管(Q2)的源极，低端场效应管(Q1)的漏极和输出电感(L)之间的连接点应该是一整块铜片焊盘。由于这连接点上的电压是高频和交流，Q1和Q2和L要靠得非常近。虽然输出电感和输出电容之间的走线没有高频交流电流，但宽的走线可以降低直流阻抗的损耗提高电源的效率。
控制线路应放置在功率电路的边上.控制电路绝对不能放在高频交流回路的中间。旁路电容要尽量靠近芯片的Vcc和地。芯片的场效应管驱动输出不要离开场效应管太远。反馈分压电阻最好也放置在芯片附近。

结语

    通过对低价简易PWM控制芯片SC2618在开关电源上的应用与PCB板排版的分折,可以看到当今新一代消费类电子产品电源开发与应用可以大为简化,非但省力省物力而且大大提高了糸统的可靠性，此类直流开关电源具有较高的性能价格比。