新型智能功率开关IR4010及其应用

1　前言
　　
　　七十年代电源发生了“20KHz革命, ”实现了高频率、小型化,从而进入了开关电源时代。电源电路集成化推进了开关电源小型化的进程,也提高了电源可靠性。初期,集成化只局限在小功率的控制电路.随着技术的发展把控制部分和功率部分做成一个整体器件,叫做智能功率开关。
　　
　　目前,已有许多厂家生产这种功率开关,并获得广泛的应用。就其工作原理来说,现有功率开关可分为以下几种类型 ：

　　1.PWM电流型.如:MOTOROLA公司MC333XX系列。

　　2.PWM电压型.如:POWER INTEGRATION公司的TOP系列。

　　3.ON/OFF控制型.如:POWER INTEGRATION公司的TINY系列。
　　　
　　最近,IR公司推出一种新型的功率开关,型号为IR4010。与前面所述各种功率开关不同,IR4010是一种准谐振,变频工作模式。最大特点是功率管在零电流条件下接通,电路调节采用变频控制,因而具有效率高、易于滤波的优点。本文将介绍IR4010功率开关有关情况。


2　IR4010功率开关介绍

　　IR4010是一种电压型和电流型控制电路与功率MOSFET组合成的一种混合功率集成器件。

　　1.IR4010主要特点

　　· 初级电流型控制,次级电压型控制

　　· VCC有过压保护功能,又有欠压锁定功能

　　· 内部固有过流保护

　　· 过温保护,140°C时器件关断

　　· 准谐振工作,变频控制

　　· 内部功率MOSFET RDS(ON)MAX=3.9W

　　2.引脚功能(见表一)

　　3.电路特性参数

　　最大绝对额定值如下：
　 
　　· 漏极峰值电流　　 IDPEAK=7.2A
　 
　　· 最大开关电流　　 IDMAX=2.7A
　 
　　· 最大VCC电源电压 VCC=35V
　 
　　· 最大控制电压　　 VTH=6V
　 
　　·控制部分功耗　　　 PD2=0.8W

　　推荐工作条件:控制端信号宽度Tth2³1mS

　　功率MOSFET参数如下：
　　　 
　　　 VDSS=650V
　　　 
　　　 IDSS=300NA
　　　 
　　　 RDS(ON)=3.9 W
　　　 
　　　 TR=250NS

　　控制部分主要参数如下：
　　　 
　　　 VCC电源电压启动工作门限　　 VCCUV+=16V
　　　 
　　　 VCC电源电压启动滞后锁定电压 VCCHYS=6V
　　　 
　　　 VCC静态工作电流　　　　　　 IQCC=30MA
　　　 
　　　 最大关断时间　　　　　　　　TOFFMAX=45~55US
　　　 
　　　 准谐振最小信号宽度　　　　　TTH(2) ³1mS
　　　 
　　　 最小关断时间　　　　　　　　TOFFMIN³1.5mS
　　　 
　　　 控制端门限1　　　　　　　　 VTH(1)=0.73V
　　　 
　　　 控制端门限2　　　　　　　　 VTH(2)=1.45V
　　　 
　　　 VCC过压保护值　　　　　　　 VCC(OVP)=22.5V)
　　　 
　　　 热关断动作温度　　　　　　　TJ(TSD)=140`C

　　以上参数是电路设计的基本依据

　　4.器件内电路框图及电路工作原理

　　图1是IR4010内电路的框图,该图基本说明了器件的内部主要电路组成.需说明的
是VCC(反应输入电压)的过.欠压保护功能.VCC=16V时控制电路启动工作,具有6V滞后锁定功能,即在VCC£10V时,电路不工作,欠压保护.VCC>22V时,电路同样不工作,过压保护.

图1　IR4010原理框图

　[page]　由图1看出,电源调节是用二个比较器开关实行控制.比较器COMP.1控制MOSFET关断,当VTH(1)³0.7V时关断MOSFET.比较器COMP.2控制MOSFET接通,当VTH(2)£1.45V 时接通MOSFET.通过改变光耦三极管中流过的电流来控制VTH(1) .VTH(2)变化,同时改变TON、TOFF时间.光耦中电流越小,TON .TOFF时间就越长,工作频率降低.反之,工作频率升高.由此实现变频工作控制.

图2　24V 2.5A电源电原理图

　　图2电源原理图中,D3 D5 C6 C8 R8电路对反激波形进行整形,整形后的波形为梯形波(U5),此波下降沿降至1.45V时, COMP.2反转,经延时Tt 后触发MOSFET,此时实现零电流接通。

　　虽然电路是变频工作,但并非是谐振电路那样的频率调制(PFM).因为随着控制电流的改变,TON变化速率比TOFF变化速率大,所以此电路实际上是改变占空比的占空比调制。


3　应用电路举例

　　IR4010主要用AD/DC开关电源,220VAC输入时可输出60W,通用输入时(85~265VAC)只能输出30W,现给出60W AD/DC一例.

　　1.电源性能要求

　　输入电压=220VAC±20%　 50Hz

　　输出电压=24VDC/2.5A

　　电网调节 =0.1%

　　负载调节 =0.3%

　　输出脉动与尖峰=200mVP-P

　　保护功能:过流,过压,过温保护

　　2.电路设计

　　电源采用单端反激式电路,不连续工作方式,因为功率较大,精度要求较高,所以选用次级反馈,TL431检测,光耦隔离方案.主电路,检测反馈电路等与其他反馈电路设计基本相同,这里重点对变压器设计作些说明.
　　
　　变压器设计是电源设计的关键,特别是变频工作电路,正确选择工作频率尤为重要.这里把电路额定工作状态下的工作频率作为变压器的设计频率.电路额定工作频率选在50KHz-80KHz对IR4010的利用较为有利,因为IR4010若工作在100KHz或更高频率,器件发热利害,电源效率降低,可靠性差.该电源工作频率选为50KHz.另外,选定偏压VB=18V(16-22V之间)以决定偏压绕组参数.输出60W功率,变压器铁心选用EI33.

　　设计方法是借用TOP开关反激电源变压器设计扩展表.输入IR4010,变压器铁心等相关参数.
　
　　VACMIN=176V　 VACMAX=264V　 FL=50Hz
　　
　　Fs=50000Hz　　Vo=24V　　　　P0=60W

　　h=0.8　　　　 Z=0.5　　　　 VB=18V

　　TC=3mS　　　　CIN=47mF　　　VOR=135V

　　ILIMIT=2.7A　 VDS=10V　　　 VD=0.7V

　　VBD=0.7V　　　KRP=1.0　　　 AE=1.185CM2

　　LE=6.75CM　　 AL=4500NH/T2　BW=17mm

　　M=2mm　　　　 L=2层　　　　 NS=8匝

　　然后得到变压器制作参数为:

　　　　初级绕组匝数=44匝(f0.51线)

　　　　次级绕组匝数=8匝(f0.45´12并绕)

　　　　偏压绕组匝数=6匝(f0.45线)

　　　　铁心气隙=0.34mm

　　　　初级电感=825mH

　　3.电路说明

　　图2是48V/2.5A电源原理图.图中输入整流滤波电路,输出整流滤波电路,检测反馈电路等与通常反激电路没有什么差别.这里只对控制部分略加说明.D4 R7 R6 C7产生辅助偏压电源.R1是启动电阻,提供电路启动偏流.D5 R8 C8 C6是变压器反激电压波形整形电路.IR4010引线5上整形后的波形是一种梯形波.当IR4010的V5电压下降至VTH(2)(1.45V)时,经延时Tt后接通内部MOSFET功率开关,并由此决定功率开关关断时间(TOFF).同时TOFF受控于光耦晶体管中的反馈电流.反馈电流越大,TOFF越小,工作频越高.最大关断时间被限定在TOFF(MAX)£45-55mS.

　　R4检测IR4010中功率MOSFET源极电流,当R4上电压上升达到VTH(1)(0.7V)时,经R5关断功率MOSFET.R4中电流决定开关管开通时间TON.同时,TON受控于光耦三极管中反馈电流.反馈电流变大,TON变小,工作频率上升.虽然整个电路工作为变频控制,但并非谐振电路的频率调制(PFM).该电路实质上是靠占空比调制,因为实现电网,负载调节本质上是靠占空比变化.

　　[page]4.电路测试结果
　　 
　　 工作频率=55KHz　 (输入220VAC, 输出24V　5A)
　　 
　　 电网调节»0%
　　 
　　 负载调节 £0.2%　 (输出电流 0-2.5A)
　　 
　　 电源效率=85%
　　 
　　 输出纹波=150Mvp-p

　　 测试结果表明,电路性能满足设计要求.

　　5.电路特点分析

　　以上电源电路显示了IR4010的主要技术特点,说明IR4010功率开关的利用价值.

　　（1）准谐振零电流接通

　　反激电源工作时,在功率管关断的反激过程中,IDS为零.如果工作在不连续型,则功率管重新开通时IDS仍为零.IR4010关断后,控制电压下降沿降至1.45V时比较器反转,经Tt延时后触发功率MOSFET开通,此时为零电流开通.由此,消除功率MOSFET接通损耗,提高电源效率,功率管也更可靠.显然,连续型工作状态则不能实现零电流接通.严格说,零电流接通是由单端反激电路不连续工作状态决定的.也可以说IR4010利用不连续工作的条件,才能正常运行.因为连续工作时IR4010控制电压下降沿不可能降至1.45V,COMP2不能翻转,MOSFET不接通.

　　（2）变频工作控制

　　IR4010是变频控制器件,电路工作原理类似自激式单端反激式电路.调节过程中,同时改变TON　TOFF,频率发生变化,高输入电压空载时工作频率最高,低输入电压满载时工作频率最低.上述电源在220VAC输入情况下,满载频率为55KHz而空载频率为240KHz.这是IR4010电路一大优点,因为该电路在轻负载时滤波非常容易,而频率调制(PFM)电路滤波却极其困难.

　　（3）占空比调制

　　IR4010电路的变频工作控制并非是脉冲频率调制(PFM),实质上是占空比调制,因为TON . TOFF变化最终导致占空比( TON/(TON+TOFF )　)的改变.表2列出24V/2.5A电源占空比随负载的变化情况.

　　这种调制方式与单端自激反激式电路极其相似.可以通俗地认为IR4010模仿了单端自激反激式电路工作模式.


4　小结

　　IR4010是一种新型智能功率开关,电路工作类似单端自激反激式电路.其主要特点是变频工作控制,占空比调制以及零电流接通,准谐振工作,具有易于滤波,开通损耗小,效率高等优点.在小功率范围具有良好的应用前景.

　　该器件尚未进入成熟的产品阶段,器件的性能和可靠性有待进一步改善.有关的器件性能资料和设计应用资料很少.这样,该器件的推广应用受到了阻碍.
　　 
　　目前,IR4010功率开关有关资料少,本人对其工作原理的理解不妥之处请专家,读者指正.


参考文献

1.IR4010　SWITCHED MODE POWER SUPPLY IC DATASHEET IR 1999

2.MC33369-MC33374 HIGH VOLTAGE POWER SWITCHING REGALATOR MOTOROLA 1999

3.TOP 221-227 TPPSWITCH-II FAMILY-THREE-TERMINAL OFF-LINE PWM SWITCH　POWER INTEGRATION,INC.1998

4.TN253-255 TINYSWITCH FAMILY-ENERGY EFFICIENT ,LOW POWER OFF-LINE SWITCHER. POWER INTEGRATION,INC.1999

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