满足安全环保需求的小功率集成的AC/DC转换器设计

标签：AC/DC转换器  光电耦合器

随着半导体技术的不断进步，为系统设计师、电路设计师实现技术创新提供了一个先进的技术平台，从而有许许多多新颖的、时尚的便携式电子产品呈现在世人面前，像PDA、3G手机、各种个人电子医疗保健装置以及层出不穷的游戏机等等。这些便携式电子产品大多需要高档的开关电源来供电或充电，此外，还有许多先进的便携式仪器仪表，工控装置乃至像剃须刀这样的日常用具也需要开关电源。正是在这种背景下，PHILIPS推出了STARplug电源IC产品系列。

该系列不但满足了便携式电子产品微功耗、高可靠、微小型化等要求，还满足了使用安全性和环保的需求。

关于STARplug产品系列

STARplug有两个系列，即TEA152X系列和TEA162X系列(见表1)。TEA152X系列是早在2000年9月问世的，TEA162X系列则是对TEA152X系列的改进，并于2004年5月定型的，这两者在框图、电路结构、外引线排列及绝大多数电参数都是相同的。所不同的仅在芯片内部高压启动电流源上，TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值)，TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。

注：表1只列出双列直插式封装，表贴的未列出。

STARplug采用多芯片结构。所有控制部分用BiCMOS工艺集成在一个芯片上，而功率部分则用EZ-HV工艺做在另一个芯片上，然后在同一个基片上优化组合而成。从制造工艺上看，飞利浦采用了先进的全氧化隔离工艺(或称介质隔离工艺)，因此其有以下特点：

1. 可免除锁定效应(锁定效应是CMOS电路特有的一种失效模式);

2. 可以方便地在同一个芯片上实现模拟，数字和功率电路的集成;

3. 芯片面积也比标准的PN结隔离要小;

4. 漏电流极低，适于高温环境下工作;

5. 寄生电容小，通过衬底产生的串扰和EMC的概率很小;

6. 抵御外部电火花及反极性的能力强。

这些都有利于支撑STARplug的高性能和高可靠性。

从电路设计上看，一个重要的特点是提出了谷值转换的概念。

一般说来，功率MOS管耗散的功率是开关电源自身功耗的主要来源。它与电源的可靠性，稳定性，效率都密切相关。功率MOS管的功耗通常由三部分组成：

1. MOS管截止时的功耗，即VDS为高电平的功耗：这个功耗主要由漏极D和源极S之间的漏电流来决定，与芯片制造工艺有关，IDS(off)通常在微安量级，因此这部分功耗极低，一般可以忽略。

2. MOS管导通时的功耗，即VDS为低电平时的功耗，这个功耗主要决定于漏极和源极之间的导通电阻RDS(on)。这与芯片设计的几何参数有关。

3. MOS管动态功耗，即MOS管由截止向导通转换，或由导通向截止转换时的功耗。这个功耗可用下式计算：

飞利浦的电路设计师，分析了上述公式，认识到要降低开关电源的动态功耗，只能由降低转换时的VDS和负载下降时的f入手。通常VDS为380V左右，如果利用电路谐振将VDS于谷底(接近于0V)时，使MOS管由截止进入导通，则MOS管的动态功耗将下降几个数量级。为此，在电路设计上，加上了谷值检测电路，一旦电路谐振，能正确地测出“谷底”，并在VDS进入“谷底”之时，在栅极G和源极S之间输入经PWM后的脉冲上升沿。

上个世纪90年代的PWM芯片，工作频率f大多为固定频率。为了降低功耗，特别是降低待机功率，STARplug采取了可调变频率的灵活电路设计。用户设定的频率为满载时的工作频率。当负载下降时，工作频率也相应下降。从而保证了待机功耗低于100mW。

此外，STARplug系列芯片用高压电流源来启动，一旦IC进入正常工作状态，则高压电流源将自动切断，从而减少了电路的功耗。由此可知，电路的整个设计过程。都贯彻了一条减少功耗的思想，正是因为功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地减少了功耗，因此就能够将功率器件和控制电路集成在一个封装中，有效地减少了外围元件。另外为了使电路能可靠地工作，还提供了完善的保护功能，包括了逐个周期过流保护、欠压锁定、过压保护、过温保护、绕组短路保护、退磁保护。

STARplug功能描述

1. STARplug的结构

图1是STARplug的内部电路框图。不难看出，图中包括功率MOS管和控制电路两大部分。功率MOS管主要用来实现功率的传输和转换。而控制电路则肩负三大任务：

1. 实现所有保护功能的快速反应。

2. 谷值电平的准确检测。

3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

图1：STARplug内部电路框图

STARplug是基于不连续方式(DCM)反激式拓扑设计的。有两种反馈方式：

1.变压器辅助绕组反馈，(此绕组同时用作IC的供电)(见图2)。

2.变压器次级绕组经光耦反馈(见图3)

2. STARplug工作原理(见图1、图2)。

交流电源经整流滤波后输出Vdc，经变压器初级加到TEA162X的DRAIN端(第8脚，略称Dr端)，经芯片内部的高压电流源(图1)，通过Vcc端(第1脚)向电容器C5充电，当C5充电电压Vc5达到并超过VCC启动电压的下限9V时，TEA162X开始工作。

作为TEA162X的第一项工作就是加电清零(见图1)，使片中逻辑电路处于初始状态，MOS功率管处于低电平。变压器初级电感有电流通过，并逐步加大。与此同时，接在RC脚上的电阻R和电容C使振荡器产生振荡。经PWM的比较器和驱动器使MOS功率管由低电平转换到高电平。这时储存在初级电感和磁芯气隙中的能量立即传送到变压器的次级和辅助绕组。辅助绕组感应的交变电压经整流后加到VCC端，当此电压达到VCC启动电压后，则由高压电流源送来的电流将其中断，由Vaux取代，使TEA162X继续工作。一旦Vaux下降到Vcc启动电平之下，或进入停止电平时，则TEA162X停止转换，并重新由整流后的电网电压Vdc启动。

STARplug是电压控制型的PWM电路，通过调制芯片内部功率MOS管的导通时间，来控制通过变压器初级峰值电流，从而使输出电压稳定。

为了说明STARplug稳压机理，将TEA162X系列实用电路中的有关部份描述成图4、5。由图不难看出，PWM比较器的两个输入，一个是RC端(第3脚)并接的电阻Ross和电容Cosc，用来设定电路的开关频率。另一个是Reg端(第4脚)连接的外部电压，反映的是输出负载的变化。加在Reg端的电压与芯片内部电压源(2.5V)之差,再乘以10倍,即为加到PWM端上的信号电压Vreg-intern。Vreg-intern与VRC在PWM比较器上进行比较，如果VRC比Vreg-intern低，则PWM输出为“1”电平，功率MOS管截止。如果Vreg-intern越高，则MOS管导通时间越短，MOS管转换的功率越小。反之，如果Vreg-intern越低，则MOS管导通时间越长，转换的功率越大。(见图5)

3. 电路保护功能

为阐明电路的保护功能，我们将芯片内外有关部分单独画成图6。Source是STARplug的第6条引脚，外接一电阻Rsrc到地，其阻值则根据过流保护的阈值来定。

图6：STARplug保护电路图

由图6显而易见功率MOS管导通时流过的电流经电阻Rsrc转换成电压，加到芯片内部的两个比较器的同相输入端，使STARplug分别实现过流保护和输出短路保护。

过流保护

当负载加大或其他原因使Source腿上单个周期测出的瞬时电压大于芯片内部的电压源0.5V时。则比较器的输出将使功率MOS管关断，从而切断了大电流的运作，对功率MOS管起到了保护作用。

为了防止检测出虚假的过流信号，对比较器加上了一个禁止端。当过流信号超过350ns时，比较器才动作。

输出短路保护

由于某种原因，使输出短路或绕组短路，引起Source腿上的电压快速上升，以至超过0.75V，则另一个比较器将使转换停止，MOS管关断，阻止电流继续加大。同样该比较器也采取了相同的防止虚假信号的措施。

STARplug还提供精确的过温保护。当结温超过热关断温度(典型值为160℃)时，电路将停止工作，供电电流降到启动电流之下。一旦结温降到关断值之下时，电路将会恢复工作。

退磁检测

STARplug始终是工作在不连续导通方式(DCM)。

由图7可见，变压器的辅助绕组通过一个电阻接到电路的Aux腿，芯片内部有两个反向并连的二极管，对输入电压进行箝位。只要次级二极管是导通的，则辅助绕组的电压就是正的，就有电流注入Aux端，并被二极管箝位。只要Aux端的电压大于100mV，则振荡器停止工作，MOS管就不能开关。

在消磁时间tsuppr(典型为15us)内，确认剩磁已消除。这个功能对于输出电压较低，以及变压器漏感较大的场合特别有用。

图7：STARplug退磁检测

过压保护

在芯片的框图中，虽然没有为过压保护设计专门的通道，但这个功能是存在的。在实际应用过程中，一旦产生过电压，则必然将REG端的工作电平上拉，从而使初级绕组的工作行程立即终止。只有当过压消除，REG端电压恢复到正常值，功率MOS管才能正常开关。

STARplug的应用

前已述及，STARplug有两种反馈方式，这两种方式就构成了STARplug作为反激式AC/DC转换器的两种典型应用电路。

图2是最简单最基本的应用电路，其特征就是由变压器的辅助绕组来反馈电网和负载的变化。

由图2可见，由整流桥和滤波器组成了电路的输入部分，并通过变压器初级绕组加到TEA162x的Drn端。显然，TEA162x是整个转换器的心脏，以下围绕TEA162x分析一下图2的各部分电路。

1. 由C3R2组成振荡电路。

振荡电路元件的值是根据工作频率来确定的，STARplug的开关频率可在10kHZ到200kHZ之间工作，通常工作频率大都选在40~100kHZ之间。

频率选定了，则可按下式来计算元件值：

振荡器的充电时间tcharge，由STARplug的参数表中查出为1us。

至于RC的取值，可先选定C，然后再算R值，要保持电路的稳定，电容C必须大于220pF，但从效率方面来考虑，频率高时亦不宜将电容选得太大，例如200kHZ时，C取10nF，则振荡器的功耗达到12.5mW，这显然是不可取的。

推荐实例：开关频率取100kHZ，这时振荡器的时间常数为2.7us，C取330pF，R=7.5kΩ。

2. 过流保护和绕组短路保护电阻R3：

电阻R3设置了变压器初级峰值电流，也设定了最大传输的输出功率，电阻R3的值可用下式计算：

由STAR plug的手册可得知：

实例：一个3W的电源，开关频率为100kHZ，效率为75%，通过变压器的峰值电流为230mA(反射电压)，则电阻R3设定为2Ω，限定峰值电流为250mA。

3. 稳压元件R4和R8：

在辅助绕组反馈的电路中，输出电压是受辅助绕组控制的。实际上在变压器中所有绕组都有同一个磁通变量，次级输出电压和辅助电压VCC是通过变压器的匝数比Na/Ns而关联的。VCC的电压信息又通过一个电阻分压器，即R4和R8提供给REG端的，因此，TEA162X直接稳定了VCC的输出电压，间接的稳定了输出电压。

这两个电阻的值可由下式确定：

为防止瞬时高压对REG的影响，推荐R4的值为3k-10kΩ之间。

4、退磁电阻R5：

这个电阻是用来限制流入Aux腿的电流的，根据产品的技术条件，流入Aux腿的最大电流为5mA，流出的最大电流为10mA，基于这点，产品的设计者给出了一个近似的估算式：

这个式子，不要从量纲上去考虑，仅作为一个经验的估算法。

5、供电电路C5、R6、D8：

前已述及，芯片内的高压启动电流源对电容C5充电，当充电电压达到电路启动电压9V以上时，TEA162x进行工作状态。C5的值应小1uF，实际上在所有的应用中都选用470nF。

与辅助绕组相连的二极管只需选用普通二极管。与二极管相连的电阻R6，是用来防止瞬时峰值电压的，其阻值要由实验确定，开始实验时可在56~560Ω之间选择。

图3是用光电藕合器来反馈的典型应用电路。从初级侧来看，其最大的区别就是在图3中用光电晶体管来取代图2中的电阻R8，而图3的次级则增加了发光二极管及其采样、驱动电路。

图2所示的AC/DC转换器适宜作电压源，其稳压精度与变压器各线圈的耦合度有关，大约在8%以内，对于那些对稳定度要求不高而对成本要求很高的场合，可选用此方案。

如果对稳压精度及其它参数要求较高的用户，如稳定精度要求达到1%左右的用户，则应采用图3所示的方案。