全集成、部分集成和分立开关电源方案比较分析

b. 射极开关控制

基于成本考虑，设计工程师有时希望采用双极型晶体管来作为带射极开关控制的高电压开关，如图5所示。Q1的基极在关断状态下被箝位在一个安全电压上，因此Q2上所加的电压为箝位电压减去Q1的Vbe (0.7V)。为打开Q1，先打开驱动场效应晶体管 Q2，然后基极电流再流进Q1与Q2。起始基极电流由电容C1提供，直至Q1完全饱和。导通期间的基极电流由Vdd通过电阻R1及Q2的导通电阻提供。为关断Q1，先关断Q2以迫使集电极电流从基极流向充电电容C1，从而将Q1关断。

采用射极开关控制，除具有源极开关控制的优点外，还具有以下两个优势：由于集电极电流远大于基极电流，故与传统基极开关方法相比，可以以高得多的速率来消除过量载流子，这能极大地加速关断过程；(2) 射极开关关断下的Q1反向偏置安全工作区要远大于采用栅极关断时的反偏安全工作区，这是因为当射极关断时没有射极电流，故集电极－射极击穿电压BVCEO变成BVCBO，而在基极开关方法中，BVCBO通常都要高于BVCEO极限值。



C. IC/分立器件方案

我们建议的方法采用源极开关方法来控制高压MOSFET，Q1的栅极通过ZR1被箝位在一个高于阀值的电压上。在采用低压MOSFET的开漏极配置中，源极与IC输出相连。采用源极开关技术可减少引脚数，因为输出引脚还用于检流。通过将FB引脚与偏压引脚合并，可以采用TO-92塑料封装，器件只有三个外部引脚，从而减少IC成本及对PCB空间的占用。

这种器件可减少外部器件数，进而减少系统成本及空间。PWM控制器集成了振荡器、检流、参考电压等。反馈电压通过一个内部电压分配器从BIAS输入上获得。BIAS电压由电流源提供，并受电源输出电压的调整，通常用一个与输出耦合的光耦来实现。

全PWM功能可以通过3个外部连接来实现：SW端、BIAS/FB端及GND端。3端组合及低电压工作可使IC采用TO-92等小型封装，以便用于通孔安装。类似低成本封装亦可用于表贴安装，这能极大地减少电源IC的成本及PCB面积。

d. 启动过程

启动时，高电压晶体管Q1的漏极电流通过控制器U1的内部电阻电路及外部电阻R3对电容C4充电(图3)。当Bias/FB端子上的电压达到工作电平时，IC即开始以不断增加的占空比产生PWM脉冲，直至输出电压达到其预定值。然后，再对占空比进行调整以便调整输出电压。一旦控制器开始工作，内部电阻即被IC切断，而转由偏置线圈给IC提供偏置。



二、数字实现

PWM控制器的数字实现具有许多优于模拟实现的优势，包括相对复杂算法的精确执行、无需硬件修改的再配置以及便利的参数调整、测试及校准等。数字实现框图如图6所示。我们所建议的数字实现IC采用模数转换器(ADC)来提供反馈电压信号，Δ－Σ ADC则采用过采样及十取一技术来滤除纹波。

主时序发生器控制PWM控制器的所有时序，它由振荡器系统驱动，故所有时序都互相跟踪并同步。时序发生器为一个从零开始并计数至最终值的二进制计数器，计数器在每周期结束时复位，并重复此过程。最终计数值由一个线性反馈移位寄存器确定。最终值至少为6?次计数，最高可以达到127次。可以通过改变周期来减少EMI，该操作由抖动控制(dither command)模块来实现，空、最小及最大占空比都由该模块产生。软启动及电压模式控制可减小最大占空比。

由于是数字实现，故IC的许多参数可在晶圆级进行调整，这些调整选项不仅能实现芯片的灵活性及芯片的多样性，而且还能为电源设计工程师提供各种设计选项来缩短产品开发周期。主要调整选项包括：

开关频率：65kHz至256kHz

电流限制 ：300mA至500mA

电压/电流模式：可选

频率抖动：开/关

1 频率抖动

IC拥有旨在减少EMI辐射的工厂可编程频率抖动特性，可对多种抖动进行编程以满足EMI要求。

2 跳周期模式

当达到最小PWM占空比(约3%)时，IC即进入轻负载的跳脉冲工作模式。跳脉冲工作可显著提高轻负载时的工作效率。

3 关断与自动重启

如果遇到输出短路或过载情况，则偏置线圈电压会跌至关断阀值(约3.5V)以下，PWM即停止工作并进入重启程序。

三、应用举例

如图3所示，采用我们所建议的PWM控制器IC开发一种5W通用输入电源以验证其工作及灵活性，图中未绘出EMI线滤波器。我们采用3端PWM控制器U1及通用高压场效应晶体管Q1作为开关元件，且设计已经过成本及空间使用效率优化。如上所述，齐纳二极管ZR1将晶体管Q1的栅极电压箝位在14V上，Q1源极端与控制器的SW引脚相连以用于开关驱动及电流检测。输出电压通过光耦ISO1检测，并通过电阻分压网络R7及R8编程。ZR2提供准确的参考电压以及将输出电压调节到最稳定的电压范围的误差放大器功能。在此应用中，是在130kHz开关频率、400 mA限制及电流模式控制上对控制器进行调整。



                图3所示电源的参数如下：

输入交流电压：85至265VAC；输入频率：47至 63 Hz；电压：6.2VDC；电流(连续)：800 mA；线路(输入电压)调节： (1%；负载调节： (3%；输出纹波：100mVpp；工作温度：0 至40 (C；效率(满负载，高输入电压)：70%；空载功耗：200mW。

实验室评估结果表明，该电源能很好地满足设计指标要求。电源上电的过冲很小，只有大约5ms的上升时间；在高输入及满负载输出稳态工作条件下的输出纹波大约为50mVpp；负载调节大约为(2.7%(包括电缆损耗)，输入电压调节约为0.3%；满负载效率约为80%；空载功耗随输入电压的增加而增加，在240Vac输入上测得的指标约为140mW。