零电压反激式开关电源芯片IRIS4015原理及设计要点

1.　引言

　　目前单片开关稳压电源有多种多样，如TOP-switch、Tiny-switch、Cool-set等，这些单片开关稳压电源均工作在硬开关状态，开关损耗和EMI较大。为克服硬开关的缺点可用软开关工作方式。在反激式开关电源中以无损耗缓冲电路和准谐振工作方式最为简单，而且准谐振工作方式可以实现零电压的开通和关断，在各种准谐振的解决方案中IRIS4015是一种很好的方案。

2. IS4015工作原理分析

　　IRIS4015是单片准谐振式反激式开关电源中MOSFET和控制IC的集成，如图1,有五个功能引脚:源极(S)、漏极(D)、控制IC的接地端(GND)、电源(Vcc)、过电流和电压反馈输入端（OCP/FB）。
　　IRIS4015可以工作在准谐振模式下，该模式下频率可变，在轻载和高电源电压下达最大。IRIS4015具有各种保护电路如：温度补偿的逐个脉冲过电流保护（OCP）、过电压锁定保护（OVP）、热关闭电路（TSD）；启动电流最大不超过100uA，有源低通滤波器可使轻载时稳定度提高；内置温度补偿基准电压；具有可调门驱动；并且可以通过外部元件调整开关速度用于EMI控制。

2.1　IRIS4015工作原理

　　IRIS4015的启动工作方式UC3842相似，不再赘述。注意：启动电阻Rs和启动电容C2的取值范围如下：
　　C2：22μF — 100μF
　　Rs：47KΩ — 68KΩ （输入电压110伏）,82KΩ — 150KΩ （输入电压220伏）
　 反馈和控制电路工作,振荡器和限流控制方式。
振荡器利用IC中C2的充放电产生脉冲信号确定MOSFET的关断时间，如图2，这是IC在没有电压控制反馈时，振荡器的工作过程。当MOSFET导通时，内置C1被充电到约5.6V，漏极电流ID流过R5产生压降VR5（其波形为ID的锯齿波），VR5被反馈到OCP/FB端来控制初级电流（初级电感电流控制方式），当OCP/FB端电压达到门限电压Vth（1）（0.73V）时，比较器1改变状态，振荡器输出关断信号，MOSFET关断。

　　当MOSFET关断时C1开始被缓慢放电，C1电压下降，其下降过程由C1值和放电电流确定，当C1的值降到1.2V左右时，振荡器输出导通信号，MOSFET重新导通，同时C1瞬间充电到5.6V左右，电路重复以上振荡周期。上述由VR5（ID）的斜率确定的时间就是MOSFET的导通时间，C1和直流放电电路所确定的固定时间是MOSFET的关断时间，这个固定时间被直流放电电路限制在50μS左右。

2.2　次级电压控制方式

　　次级输出为电压控制方式，如图3所示，在输出端设计的过电压使光电耦合器的LED中有电流流过，引起反馈电流流过光电耦合器的三极管，并依次流过R4和R5，产生压降VR4和VR5，使COMP1反向所需的VR5电压（ID的峰值）被VR4（由FB电流产生）控制。因此如图4所示：VR4在OCP/FB端产生附加直流偏置电压，通过这一附加偏置电压缩短OCP/FB端电压达到门限电压V th（1）的0.73V所需的时间来降低MOSFET的导通时间。这将导致反向变压器的储能降压，通常，来自VR4的偏压在轻载时增加，而且MOSFET导通时冲击电流产生的噪声能使比较器1误动作，为避免这个问题，可在MOSFET截止时，用一个无源低通滤波器R4、C5和有源滤波器来减小OCP/FB与GND之间的动态静态阻抗，有源低通滤波器是OCP/FB端与地之间的一个1.35mA直流旁路，它将使MOSFET导通时OCP/FB端的静态阻抗降低一半左右，而MOSFET导通时产生噪声由C5来吸收

2.3　准谐振工作方式的分析

　　准谐振方式是在VDS最小情况下的情况下，由初级线圈电感和一个缓冲电容器提供一个控制MOSFET开通 的谐振信号，以降低开关损耗。在这种工作模式下的OCP/FB将高于Vth（2）=1.45V（最大6V），当这个电压维持在Vth（1）以上时，MOSFET保持关断状态（注意：准谐振信号最小持续时间1us）。因此，准谐振模式下的谐振频率的一半周期用来使MOSFET导通。
　　漏极和源极之间的谐振电容C3与变压器初级电感形成谐振电路，在控制绕组D与OCP/FB端加一个由C3、D4、R5组成的延迟电路产生准谐振信号，在MOSFET截止时控制比较器2并触发准谐振方式。由 于延迟电路的存在，即使变压器上的全部能量都传送到次级线圈，反馈到OCP/FB的准谐振信号也不会立即下降，这是因为C4和C5由有源滤波器（1.35mA的电流吸收器）和R6、R7的复合阻抗放电，某周期后，电压降到Vth（1）或低于它，延迟时间取决于初级电感和C3。调整C4使得当MOSFET和VDS达到准谐振信号的最低点时，MOSFET导通，因此延迟时间由C4和C5的放电时间确定，即使没有C4，也会有一段延迟时间，当OCP/FB端和GND之间的最大电压为6V时，准谐振信号必须低于这个电压。

3. 电路设计要点

　　应用电路如图5，其主要选择和计算的元件有：变压器、R3、R4、R5和谐振电容器。