混合频率模式绿色PWM控制器MC44603在开关电源中的应用

1. 引言

　　MC44603是美国安森美半导体公司（On Semiconductor）推出的增强型高性能PWM控制器，适用于电流模式或电压模式控制的离线式和DC-DC变换器。该控制器最大的特点是能够在变换器输出过载、欠载、短路等故障状态下自动变换工作模式。MC44603既可以工作在非连续模式下，也可以工作在连续模式下。下面对MC44603的特点、工作原理以及在开关电源中的典型应用进行介绍。

2 特点和引脚说明

2.1 特点

　　MC44603具有以下特点：
　　（1）提供两种控制模式：电流模式和电压模式；
　　（2）内置前馈补偿功能；
　　（3）具有逐周限流功能；
　　（4）振荡器频率精确可控，最高工作频率250KHz；
　　（5）基准电流外部编程可控；
　　（6）次级侧或初级侧检测；
　　（7）具有同步功能；
　　（8）大电流图腾柱式输出；
　　（9）具有欠压锁定功能；
　　（10）具有过压保护功能；
　　（11）具有振荡器引脚短路保护功能；
　　（12）监控功能编程可控；
　　（13）具有软启动功能；
　　（14）最大占空比可精确设定；
　　（15）具有祛磁保护（零电流检测）功能；
　　（16）内置可调精密基准电源；
　　（17）启动电流和工作电流低；
　　（18）待机工作模式编程可控；
　　（19）在待机工作模式下，工作频率受控下降；
　　（20）低dv/dt，低EMI。

2.2 引脚说明

　　MC44603采用PDIP -16和SOP-16L两种封装形式，如图1所示，其引脚功能简介如下：
　　·VCC（引脚1）：偏置电源输入端，电压范围为9.0V-14.5V。
　　·VC（引脚2）：输出级偏置电压接入端。 
　　·Output（引脚3）：输出端。峰值电流750mA，可驱动功率MOSFET和双极性晶体管。该端与引脚4之间须加入一只肖特基二极管，如IN5819。
　　·Gnd（引脚4）：信号地。
　　·Foldback Input（引脚5）：过载限流保护检测信号输入端。该端通过外接电阻分压器与检测偏置电源输入端（引脚1）相连，构成控制系统环路，可以实现平滑启动及过载保护。注意：该端输入电压信号应限制在1V以内，超过1V，该端将失效。
　　·Overvoltage Protection(OVP)（引脚6）：过压保护信号输入端。如果该端上的电压超过17V，控制器的输出将被禁止，并进入重启动过程。过压保护阈值的大小编程可控。
　　·Current Sense Input（引脚7）：电流检测信号输入端。该端通过电流检测电阻与功率MOSFET的源极相连。在电流工作模式下，PWM锁存器根据该端信号对输出信号进行控制。
　　·Demag Detection（引脚8）：祛磁检测信号输入端。该端通过一电阻与变压器辅助绕组相连。该端信号显示出反激变换器的状态。如果将该端与引脚4直接接在一起，祛磁检测功能被禁止。
　　·Sync Input（引脚9）：同步信号输入端。在该端输入同步脉冲信号，可实现控制器的外同步。如果无需同步，该端须直接接地。
　　·CT（引脚10）：振荡器定时电容接入端。
　　·Soft-Start/DMAX/Voltage Mode（引脚11）：软启动/最大占空比设置/电压控制模式信号输入端。该端接软启动电容。如果需要控制占空比，可在该端接入特定的阻容网络或电压源。如果将该端与引脚4直接相连，控制器将被关断。
　　·RPOWER Standby（引脚12）：降频工作模式控制信号输入端。输入该端的电压信号决定了控制器是否需要转入降频工作模式，如待机模式。
　　·Error Amp Output（引脚13）：误差放大器输出端。该端用于实现环路补偿。
　　·Voltage Feedback Input（引脚14）：电压反馈信号输入端。该端为误差放大器反相输入端，可通过光耦反馈环路与变换器输出端相连。
　　·RFrequency Standby（引脚15）：降频编程控制信号输入端。该端上的外接电阻用于确定降频工作模式的工作频率的大小。
　　·Rref（引脚16）：内部基准电流设置端。该端上的外接电阻取值范围为5 kΩ～25 kΩ。

3 工作原理
　　MC44603是混合频率模式PWM控制器，可工作在定频、变频及待机模式，其内部集成了精密基准电源、高频振荡器、误差放大器、欠压锁定电路、祛磁检测电路、软启动电路、过压保护电路、过载保护电路等，其内部原理框图如图2所示。

[page]　　MC44603中误差放大器的典型直流电压增益为70dB，其非反相输入端与内部2.5V基准电压相连，变换器的输出电压经检测电阻分压后与误差放大器的反相输入端相连。误差放大器的输出端外接环路补偿电路后可以实现对误差放大器的补偿，如图3所示。
MC44603既可以采用电流模式控制，也可以采用电压模式控制。在电流工作模式下，MC44603主要通过电流检测比较器实现对峰值电感电流的控制。在每个工作周期内，输出开关管在峰值电感电流达到误差放大器输出信号设定的阈值时截止。这样就实现了误差信号对电感峰值电流的逐周控制。
　　电感电流信号通过与开关管串联的电流检测电阻RS转化为电压信号。该电压信号输入电流检测比较器输入端，而后与误差放大器输出信号设定的阈值相比较。在正常工作状态下，峰值电感电流主要由误差放大器输出端（引脚13）上的电压控制，如下式所示。

图3 MC44603原理框图
　　由于电流检测比较器的阈值内置为1.0V，因此峰值电感电流最大值可以用下式计算得到：

　　MC44603内置的振荡器是一个精确的锯齿波发生器，具有同步功能。在正常工作模式下，振荡器的输出电压将在1.6V至3.6V之间变化。对定时电容CT的充放电主要是通过MC44603内部的两个电流源，ICharge和IDischarge，实现的。实际上，由于定时电容CT与ICharge在任何时候都是相连的，为了保证定时电容可靠放电，放电电流必须要高于充电电流，如图4所示。

图4 振荡器简化结构图
　　锯齿波主要是由两个比较器实现的。这两个比较器将CT上的电压与振荡器输出信号的波谷（1.6V）和波峰（2.6V）相比较。锁存器将记住振荡器的工作状态。
　　MC44603的最大占空比为80％，并且只有在振荡器定时电容充电过程中才允许开关管导通。这样，振荡器的充电时间和放电时间的大小由下式决定：

　　其中：
　　Tcharge为振荡器充电时间；△V是振荡器输出信号的峰-峰值；Icharge为振荡器充电电流；
　　Tdischarge为振荡器放电时间；Idischarge为振荡器放电电流。
　　MC44603内部的同步电路包含两个比较器。来自外部的同步信号，经过这两个比较器，在与0.7V 和3.7V电压相比较后送入振荡器。如果不需要同步功能，应当将引脚9接地。

图5 祛磁电路原理图
　　在反激变换器中，主要依靠辅助绕组上的电压来监测变压器磁芯的状态，以防止其饱和。辅助绕组上的电压具有以下特点：（1）在开关管导通时，为负；（2）在开关管截止时，为正；（3）在死区时间内，为零，但通常伴有振铃。MC44603中的祛磁电路正是根据上述原理对辅助绕组的电压进行监测。将引脚8接地可以禁止祛磁功能。祛磁电路原理图如图5所示，祛磁检测工作波形图如图6所示。从图中可以看出，在控制器内部，祛磁比较器的非反相输入端增加了一只箝位二极管D以及反相有源箝位电路。另外，还增加了祛磁锁存电路，其作用是当祛磁检测信号输入端（引脚8）上的电压低于65mV以及新的重启动过程开始时，祛磁电路输出保持低电平。这样作的目的是为了避免引脚8上的振铃信号对祛磁检测产生影响。祛磁电路的输出信号直接与控制器的输出端相连，能够在祛磁检测过程中禁止控制器的输出。

图6 祛磁检测工作波形图
　　[page]借助MC44603的最大占空比和软启动控制功能，可以将最大占空比限制在80％以下。由于MC44603引脚11与其内置电流源相连，该引脚上的电压可方便的通过外接电阻进行设置。在引脚11上外接一只电容，就可以实现软启动功能。最大占空比和软启动控制电路原理图如图7所示，最大占空比控制波形图如图8所示。

图7 最大占空比和软启动控制

图8 最大占空比控制波形
　　引脚11与控制器内置的0.4IREF的电流源相连，通过外接电阻可十分方便的实现对该端电压的控制。另外，该端外接的软启动电容在VCC低于9.0V时开始放电。如果该端没有外接元件，该端内部的齐纳二极管将对该端电压进行箝位。由于齐纳二极管的箝位电压高于振荡器输出信号的峰值，因此软启动和最大占空比控制功能被禁止。
　　过载限流保护检测信号输入端（引脚5）用于实现过载保护功能。随着变换器负载的不断增大，变换器所需的峰值电流也就不断增大，过载限流保护检测信号输入端上的电压也随之升高，直至达到其1.0V的最大值。如果负载持续增大，系统就无法提供足够的能量以保持输出电压的稳定。为了限制最大峰值电流，引脚5上的输入电压也随输出电压的下降而下降。限流过载保护特性（foldback characteristic）如图9所示。

图9限流过载保护特性
　[page]　在MC44603的过压保护电路中包含一个延迟锁存器，其延迟时间为2μs。这样，当过压状态持续时间超过2μs，延迟锁存器的输出将为高电平，直到VREF被禁止。如果过压状态持续时间超过2μs，控制器的输出将被禁止，直到VCC断开后又重新恢复。当过压比较器的参考电压Vref开始逐渐恢复时，过压保护状态还将继续持续5μs的时间，直到Vref完全恢复，并进入稳定状态，此时VCC才重新恢复正常供电。过压保护控制电路原理图如图10所示。在过压保护信号输入端（引脚6）增加一只外接电阻，可以实现对VCC电平的调节。

图10 过压保护电路原理图
　　在欠压锁定电路中，Vref和Iref由引脚16上的接地电阻Rref决定，如图11所示。而引脚15上的接地电阻RF Stby则用于固定待机频率。

图11 欠压锁定电路原理图

4．典型应用

4.1 125W离线式反激变换器

　　采用MC44603控制的125W离线式反激变换器如图12所示。该变换器中的开关管采用功率MOSFET，其输入电压范围为185VAC～270VAC，工作频率20KHz，效率85％，待机功耗2.46W。

4.2 250W离线式反激变换器

　　采用MC44603控制的250W离线式反激变换器如图13所示。该变换器中的开关管采用双极性晶体管，其输入电压范围为185VAC～270VAC，工作频率20KHz，效率81％，待机功耗3.3W。

5. 小结

　　混合频率模式绿色PWM控制器MC44603可以在变换器输出过载、欠载、短路等故障状态下自动变换工作模式，极大地提高了开关模式变换器设计的灵活性，是电流模式或电压模式控制的中、小功率离线式和DC-DC变换器的理想选择。

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