智能功率开关电源IC设计

        根据工艺的发展和市场的需要，将核心部分功率MOSFET和低压PWM控制器集成在一块芯片中。同时，还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启动、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。该芯片交流输入可直接从电网接入，应用功耗低，成本低，体积小，同时还提高了系统的稳定性，降低了成本，使电子工程师的设计更加简单。该芯片可用于驱动一个单端接地电源系统，如接一个振荡回扫的二次线圈变压器后输出一直流电压。

        2 工作原理 

       此开关电源为一中频集成模块，设计频率为 100kHz，最大占空比为70％，它包括一个恒频脉宽调制器和一个高集成度电源开关电路，其结构如图1所示。这个组合开关的高压侧可对从85~265V的交流电压进行连续控制，可以应用于多数常规电源系统。

        通过一个光电耦合管，将负载变化情况反馈到芯片内部，反馈信号在2.7k的电阻上产生电压降，经过7kHz的低通滤波器，把高频开关噪音滤掉，以直流电压形式输入到PWM模块进行调节，产生占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动功率MOSFET，从而实现了PWM的调节。除此之外，功率MOSFET的源极接一电阻，来实现每周期的限流保护。

        正常情况下，1/8分频器输出信号使得功率 MOSFET导通，若故障发生，它的输出信号使得功率MOSFET关断，并且它自身开始计数，第1 个周期，功率MOSFET导通。若没有排除，以此规律循环下去；若故障排除，则进入正常工作状态。该IC外接变压器，实现AC-DC功能后，不同规格的变压器可获得不同的直流电压。

       3 内部功能模块介绍

       3.1 振荡器电路

       如图2所示，该振荡器利用两个比较器轮流导通，对电容进行充放电，获得了在电压在2.7~4.1V震荡的锯齿波。其设计频率为100kHz，占空比为 70%。对电容充放电时，利用MOS管饱和区工作电流恒定的原理，实现恒流充放电。其等效简化电路模型如图3所示。充电时，开关S合到3端，可得
       DQ="DU"×C (1)
且DU=4.1-2.7=1.4v (3)

       式中，C = 40pF, IP="18".6mA，可以计算出T P="3ms"。 放电时，开关S打到8端，IN=8mA，可以计算出 TN =7ms。

       T="Tp"+T N="10ms" (5)

       占空比的设计也是需要考虑的，当占空比提高后，整个IC及外接电路构成的电源效率都会提高。

 
       但是又不能无限的提高，使之接近100％，这主要是变压器磁通的建立和恢复是有时间限制的。同时，长时间的导通，功率MOSFET容易烧坏。

       3.2 偏置电路

       该电路采用三管能隙基准电源，如图4所示。 T2的发射极电压如式(6)所示。由公式可知，利用等效热电压 Vt的正温度系数和Vbe 的负温度系数相互补偿，可使输出基准电压的温度系数接近为零 （由于T6和T2的Vbe相同，所以输出电压 Vref和T2发射极电压相同）。

       3.3 PWM调制电路
 
       由光耦管耦合过来的反应负载变化情况的信号首先经过一个7kHz的低通滤波器，然后送到PWM比较器和振荡器产生的锯齿波进行比较，从而实现脉宽调制。该低通滤波器的频率响应为

       可作为设计参数使用。
 
       3.4 过压保护，欠压锁定电路
 
       设计的内部电路工作电压环境为7.5~8.6V，该电路如图5所示，由比较器C1，C2和电阻R1 、R2、R3、R 4组成。由于迟滞比较器的作用，当Vcc 处于7.5~8.6V时，IC正常运行。当Vcc >8.6V时，C1输出高电平，直接使放电NMOS管导通，进行放电。该NMOS管设计得比较大，这样可以迅速地放电，使IC及时地回到安全状态。若该 Vcc故障仍然存在，将用八分频计数器来计数。这个八分频计数器使得功率MOSFET关闭，电容将在8个连续周期内反复充放电，8个周期后，若故障排除，整个IC进入正常工作状态，功率MOSFET开通。这种设计可大大减少功率MOSFET的耗散功率。当内部工作电压Vcc<7.5V时，C1输出一低电平，关闭驱动，同时驱动高压启动电路，对外接10μF电容进行充电。同时，该低电平也送入计数器计数，这样便实现了自启动功能。一般说来Vcc <7.5V，是由负载短路或过载引起电源变压器的附加线圈输出电压失落，没有足够的电压对芯片供电所致。