基于LD7552B的绿色开关电源设计与分析

摘要：为了降低能耗，同时又能简化电路，节省成本，提出了LD7552B开关电源方案，用LD7552B设计了一种绿色开关电源。LD7552B是一种绿色电源芯片，它在启动方面、稳压方面、保护方面及节能方面都较传统电源有很大的改善，采用LD7552B与开关场效应管、精密三端稳压器、开关变压器等元件配合，就能构成节能型开关电源。实验结果表明，LD7552B开关电源能在90～240 V交流环境中稳定工作，电路效率可迭90％以上，且能根据负载的大小自动改变工作模式(在正常模式与绿色模式之闽变换)。基于LD7552B的开关电源有着传统开关电源无法比拟的优势，是一种值得推广的高性能开关电源。
关键词：LD7552B；KIA431A；开关电源；电路设计

0 引言
随着低碳经济的提出，AC／DC电路必将从传统开关电源向绿色开关电源转型。所谓绿色开关电源实际上是一种高效节能型开关电源，它有3大优点，即效率高，性能好，电路结构简洁。近年来，国外一些半导体公司纷纷推出绿色电源芯片，这为AC／DC电路的转型提供了条件。在众多的绿色电源芯片中，LD7552B及其姊妹芯片极具代表性。LD7552B能输出PWM(脉冲宽度调制)开关脉冲，可与开关场效应管、开关变压器、精密三端比较器、光电耦合器等元器件构成绿色开关电源，通过合理选择外部元件的参数，可以使开关电源具有较宽的稳压范围和较灵敏的保护特性。基于LD7552B的开关电源可广泛用于液晶显示器、液晶电视机、电源适配器、打印机、复印机等设备中，具有广泛的应用前景。

1 LD7552B介绍
1．1 内部结构
LD7552B是Leadtrend(通嘉)科技公司推出的具有绿色工作模式的电源控制集成块，负责产生开关脉冲，还能完成稳压控制及各种保护。LD7552B内部结构如图1所示，它具有良好的防静电功能、电流模式控制功能、无噪声绿色模式控制功能和多种保护功能(如过压保护、过载保护等)。该集成块启动电流低(小于20μA)，功耗低(小于0．4 W)，利用它可以设计出30～60 W的绿色开关电源。

值得一提的是，LD7552B与LD7552D互为姊妹芯片，它们之间的区别体现在4脚外部。LD7552B的4脚外部一般接100 kΩ电阻，而LD7552D的4脚外部一般接0.047μF电容，代换时应注意这一点。无论是LD7552B还是LD7552D都能推动多种型号的开关场效应管，如2SK2630，2SK2645，2SK2649等，应用时可根据实际情况选定。
1．2 封装形式
LD7552B及LD7552D均采用DIP-8封装形式，其外形及尺寸如图2所示。

2 电路设计
利用LD7552B设计出的开关电源如图3所示，该电源能输出+5 V和+14 V直流电压，输出功率达40 W，+5 V电源的输出电流可达2 A，+14 V电源的输出电流可达2．2A。

2．1 交流输入及整流滤波电路
这部分电路主要由电源开关S1、保险管F1、负温度系数热敏电阻NR1、互感滤波器L1、桥堆BD1、滤波电容C2和C3等元件构成。其功能是完成交流电压的传输及整流滤波任务，最后在C2上得到300 V左右的直流电压。
因电源功率较大，故开机浪涌电流也较大，保险管F1选用2 A／250 V规格；采用一节互感滤波器来滤除电网中的干扰，L1选用电感量为4 mH的互感滤波器即可；桥堆选用整流电流为2 A，耐压为500 V以上即可(如2KBP06～2KBP10系列)；C2选用100～150 μF，耐压为400 V以上的电解电容。为了改善高频滤波效果，C2上可并联一个高压陶瓷电容C3。串入负温度系数热敏电阻NR1的目的是为了减小开机浪涌电流，NR1的常温阻值可选在6～9 Ω／4 A。
2．2 LD7552B的3脚和7脚外部电路
3脚和7脚外接启动电路和供电电路，其任务是开机瞬间为芯片提供启动电压，正常工作期间为芯片提供供电电压。电路启动时，LD755 2B的3脚索取的电流小于20μA，属微电流启动方式，故启动电阻R1，R2，R3的总阻值可选择在1 000 kΩ左右。电路工作后，7脚索取的电流达2 mA，此时R1，R2，R3无法提供如此大的电流，故由开关变压器的绕组、R8，D1等元件构成的供电电路来给7脚供电，以满足内部电路的要求。C6的容量一般在10～47μF，D1一定要选用耐压在200 V以上，整流电流在0．8 A以上的快恢复二极管(如FR103～FR106等)，R8的阻值一般在10 Ω以下。R1，R2，R3，C6的取值不能太大，否则会导致电路启动困难，甚至不能启动。7脚的正常工作电压应设计在12～16V。
2．3 LD7552B的4脚外部电阻
LD7552B的正常振荡频率由4脚外部电阻进行设定，可由下式计算。
f=(65／R4)×100
式中：f表示LD7552B的正常振荡频率，单位为kHz；R4表示4脚外部电阻的阻值，单位为kΩ。例如，当4脚外部电阻为100 kΩ时，振荡频率为65 kHz。选择4脚外部电阻的阻值时，一定要确保f在50～130 kHz之间，也就是说R4的取值范围在50～130 kΩ之间。
2．4 LD7552B的6脚外部电路
6脚用来检测开关管的电流，以实现过流保护。6脚外部需接一个RC滤波器(由R5和C8构成)，一则可以防止脉冲前沿损坏6脚内部电路，二则可以避免电路误保护。RC滤波器的时间常数不宜太大，只要确保脉冲前沿有350 ns的延时即可。开关管源极电阻R7对电路的输出功率及过流保护灵敏度有很大影响，R7越大，过流保护点就越低，电路的输出功率也就越小；若R7越小，过流保护点就越高，电路的输出功率也就越大。因此，选择R7的阻值时，一定要兼顾上述2个方面。实验表明，当开关管源极电阻选为0．47Ω／2 W时，电路的带负载能力大于40W，过流保护点约为2A。为了使设计略留有余地，R7可选为0．43Ω／2W。
2．5 稳压电路
精密型三端比较器IC3、光电耦合器IC2及3只取样电阻(R14，R16及R15)均为稳压电路中的关键元件。精密型三端比较器可选用KIA431A或TL431A，光电耦合器可选用PC123或PC817。输出电压的大小与三只取样电阻(R14，R16及R15)的阻值息息相关，当输出电压为+5 V和+14 V时，根据基尔霍夫定律，很容易推导出R14，R16和R15之间有下式的关系。

式中：R15，R14和R16分别代表电阻R15，R14和R16的阻值。如果R14和R16分别取3．6 kΩ和33 kΩ时，可以算出R15的阻值为2．4 kΩ。在实验中发现，当R15为2．43 kΩ时，+5 V和+14 V输出电压最准确。值得注意的是，R14，R15和R16一定要选用精密电阻，误差在1％以内，否则会影响稳压精度，加大输出电压的误差。
2．6 开关管及反峰吸收电路
开关管VT1应选用UDSS≥600 V，IDM≥6 A，PDM≥50 W，RDS1．5 Ω的场效应开关管，如2SK2630，2SK2645，2SK2649，2SK2677，2SK2761等。
在开关管截止瞬间，开关变压器初级绕组会产生反峰电压，为了防止反峰电压击穿开关管，必须在开关变压器初级绕组上并联反峰吸收电路，即R9，C5和D3。D3一定要选用高压快恢复管，如RF107，RGF10M等，C5的耐压必须在1．5 kV以上，容量为1～2 nF；R9的功率须在2 W以上，阻值为100 kΩ左右。
2．7 直流输出电路
本电源输出+5 V，+14 V两路直流电压，都能向负载提供2 A以上的电流。+14 V整流一般选用耐压在100 V以上，平均整流电流在6 A以上的双二极管进行整流，如FCH10U10，FCH10A15，SP10100等，滤波电容的总容量应在1 000μF以上，最好采用LC滤波。+5 V整流一般选用耐压在50 V以上，平均整流电流在3 A以上的快恢复二极管进行整流，如31DQ06系列、31DQ09系列等，滤波电容的总容量应在2 000 μF以上，最好也采用LC滤波。

3 电路工作原理
3．1 启动过程
220 V交流市电经BD1整流、C2滤波获得300 V左右的直流电压。该电压经启动电阻R1，R2，R3送至IC1的3脚，经内部电路对7脚外部电容(C6和C4)充电，使7脚电压上升。当7脚电压达到16 V时，内部电路启动，并从8脚输出开关脉冲，开关管VT1进入开关工作状态。电路工作后，开关变压器1～3绕组上的脉冲电压经R8限流、D1整流，C6、C4滤波后，获得12V左右的直流电压提供给7脚，作为IC1的供电电压。LD755-2B具有绿色工作模式，在轻载运行(如待机)时，内部绿色模式控制器工作，振荡频率变为20 kHz左右，此时电源工作于绿色模式下，其功耗仅0．4 W左右。当负载提高时，芯片转为正常工作模式，此时振荡频率不受绿色模式控制器的控制，频率提高至65 kHz。模式的转换是由内部电路检测2脚电压来实现的，当2脚电压低于2．35 V时，电路就工作于绿色模式。
3．2 各路电压输出过程
开关变压器有两个带中心抽头的绕组，这两个绕组采用并联连接。它们的上端接地，下端并联后作为+14 V绕组的输出端，中心抽头并联后作为+5 V绕组的输出端。电路工作后，+14 V绕组输出的脉冲电压经D4(2个并联二极管)整流，C13，L2，C14滤波后，产生+14 V的直流电压。+5 V绕组输出的脉冲电压经D5整流，C10，L3，C11滤波后，产生+5 V直流电压。
3．3 稳压过程
该电源是通过调整开关脉冲的占空比来实现稳压控制的，稳压主取样点设在+5 V输出端，由R14和R15对+5 V电压进行取样；辅助取样点设在+14 V输出端，由R16和R15对+14 V电压进行取样。当某种原因(如电网电压上升，负载变轻等)引起各路输出电压上升时，送至IC3控制脚的取样电压也上升，从而使IC3导通加强，IC2中的发光二极管和光屯三极管导通也增强，IC1的2脚电压下降，经内部电路调节后，其8脚输出的脉冲宽度变窄(占空比减小)，开关管VT1饱和时间缩短，各路输出电压下降。当某种原因引起各路输出电压下降时，则稳压过程与上述相反。
3．4 保护过程
(1)过流保护。当某种原因(如负载过重等)引起开关管VT1的电流增大时，R7上的电压必升高，该电压经R5送至IC1的6脚，只要6脚电压达到0．85 V，并持续350 ns时，内部过流保护电路动作，使8脚提前输出低电平，VT1提前截止，从而有效抑制电流的进一步上升，使VT1不至于过流而损坏。
(2)过载保护。当负载出现短路时，+14 V和+5 V电压接近0 V，此时IC3和IC2截止，IC1的2脚电压会上升，只要2脚电压上升至5 V，且持续60 ms，内部电路就会执行过载保护，8脚停止脉冲输出。
(3)欠压保护。欠压保护是由IC1的7脚内部电路来完成的。开机后，C6被充电，若C6上的电压不能达到16 V，IC1就不会工作，处于欠压保护状态。若C6上的电压能达到16 V，IC1就工作，一旦电路工作后，7脚电压只需维持在10～16 V之间即可，如果某种原因使得C6两端电压下降至10 V以下时，IC1立即停振，8脚停止脉冲输出，进入欠压保护状态。
(4)过压保护。当稳压环路开路时，各路输出电压会大幅上升，C6的电压也会上升，只要该电压达到28 V，IC1内部电路立即执行过压保护，8脚停止脉冲输出。
值得注意的是，当LD7552B进入保护状态后，其状态不能自动锁存，当保护条件不具备时，电路就会自行解除保护状态，重新工作。工作后，若保护条件又具备，则再一次进入保护状态，如此循环。也就是说，当电路进入保护状态时(过流保护除外)，电路会间歇工作(即所谓的“打嗝”)。此时，输出电压及LD7552B相关引脚电压会波动。

4 关键检测点
该电源有一个目击检测点和两个关键检测点。当电源出故障时，通过检测这些点就能很快找到故障所在。保险管F1是目击检测点，通过观察或测量F1是否烧断，可以判断故障的性质。当F1烧断时，说明电源中有短路故障存在，短路部位一般发生在整流桥堆(BD1)、滤波电容C2，C3或开关管VT1上。C2上的电压是第一关键检测点，通过检测此点电压可以判断故障部位。例如，当电源不工作时，若测得C2上的电压为0 V，说明故障在交流输入电路或整流电路上；若C2上有300 V电压，说明故障部位在C2之后的电路中。LD7552B的7脚是第二关键检测点，当电源不工作时，通过测量该点电压可以缩小故障部位。例如，通电后，7脚电压达不到16 V，说明电路不工作是因启动电压过低而引起的；若7脚电压大幅度摆动，说明电路进入保护状态。

5 结语
LD7552B是一种非常完美的新型绿色电源芯片，具有很强的调压功能和完善的保护功能，所以稳定性和可靠性都很高，且能根据负载的大小自动改变工作模式。实践表明，基于LD7552B的开关电源能在90～240 V交流环境中稳定工作，在输出40 W功率的情况下，电源自身损耗仅3 W左右，效率达90％以上；在绿色模式下，电源自身损耗仅0．4 W左右。LD7552B是设计中大功率开关电源的首选芯片，它必将受到广大电子工作者的青睐，具有广阔的应用前景。