新颖小功率集成的AC-DC转换器方案介绍

随着半导体技术的不断进步，为系统设计师、电路设计师实现技术创新提供了一个先进的技术平台，从而有许许多多新颖的、时尚的便携式电子产品呈现在世人面前，像PDA、3G手机、各种个人电子医疗保健装置以及层出不穷的游戏机等等。这些便携式电子产品大多需要高档的开关电源来供电或充电，此外，还有许多先进的便携式仪器仪表，工控装置乃至像剃须刀这样的日常用具也需要开关电源。正是在这种背景下，PHILIPS推出了STARplug电源IC产品系列。
　　该系列不但满足了便携式电子产品微功耗、高可靠、微小型化等要求，还满足了使用安全性和环保的需求。

　　关于STARplug产品系列
　　STARplug有两个系列，即TEA152X系列和TEA162X系列(见表1)。TEA152X系列是早在2000年9月问世的，TEA162X系列则是对TEA152X系列的改进，并于2004年5月定型的，这两者在框图、电路结构、外引线排列及绝大多数电参数都是相同的。所不同的仅在芯片内部高压启动电流源上，TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值)，TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。  

　　STARplug采用多芯片结构。所有控制部分用BiCMOS工艺集成在一个芯片上，而功率部分则用EZ-HV工艺做在另一个芯片上，然后在同一个基片上优化组合而成。从制造工艺上看，飞利浦采用了先进的全氧化隔离工艺(或称介质隔离工艺)，因此其有以下特点：
　　1. 可免除锁定效应(锁定效应是CMOS电路特有的一种失效模式)；
　　2. 可以方便地在同一个芯片上实现模拟，数字和功率电路的集成；
　　3. 芯片面积也比标准的PN结隔离要小；
　　4. 漏电流极低，适于高温环境下工作；
　　5. 寄生电容小，通过衬底产生的串扰和EMC的概率很小；
　　6. 抵御外部电火花及反极性的能力强。
　　这些都有利于支撑STARplug的高性能和高可靠性。
　　从电路设计上看，一个重要的特点是提出了谷值转换的概念。
　　一般说来，功率MOS管耗散的功率是开关电源自身功耗的主要来源。它与电源的可靠性，稳定性，效率都密切相关。功率MOS管的功耗通常由三部分组成：
　　1. MOS管截止时的功耗，即VDS为高电平的功耗：这个功耗主要由漏极D和源极S之间的漏电流来决定，与芯片制造工艺有关，IDS(off)通常在微安量级，因此这部分功耗极低，一般可以忽略。
　　2. MOS管导通时的功耗，即VDS为低电平时的功耗，这个功耗主要决定于漏极和源极之间的导通电阻RDS(on)。这与芯片设计的几何参数有关。
　　3. MOS管动态功耗，即MOS管由截止向导通转换，或由导通向截止转换时的功耗。这个功耗可用下式计算：

　　飞利浦的电路设计师，分析了上述公式，认识到要降低开关电源的动态功耗，只能由降低转换时的VDS和负载下降时的f入手。通常VDS为380V左右，如果利用电路谐振将VDS于谷底(接近于0V)时，使MOS管由截止进入导通，则MOS管的动态功耗将下降几个数量级。为此，在电路设计上，加上了谷值检测电路，一旦电路谐振，能正确地测出“谷底”，并在VDS进入“谷底”之时，在栅极G和源极S之间输入经PWM后的脉冲上升沿。
　　上个世纪90年代的PWM芯片，工作频率f大多为固定频率。为了降低功耗，特别是降低待机功率，STARplug采取了可调变频率的灵活电路设计。用户设定的频率为满载时的工作频率。当负载下降时，工作频率也相应下降。从而保证了待机功耗低于100mW。
　　此外，STARplug系列芯片用高压电流源来启动，一旦IC进入正常工作状态，则高压电流源将自动切断，从而减少了电路的功耗。由此可知，电路的整个设计过程。都贯彻了一条减少功耗的思想，正是因为功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地减少了功耗，因此就能够将功率器件和控制电路集成在一个封装中，有效地减少了外围元件。另外为了使电路能可靠地工作，还提供了完善的保护功能，包括了逐个周期过流保护、欠压锁定、过压保护、过温保护、绕组短路保护、退磁保护。

　　STARplug功能描述
　　1. STARplug的结构
　　图1是STARplug的内部电路框图。不难看出，图中包括功率MOS管和控制电路两大部分。功率MOS管主要用来实现功率的传输和转换。而控制电路则肩负三大任务：
　　1. 实现所有保护功能的快速反应。
　　2. 谷值电平的准确检测。
　　3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

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 图1：STARplug内部电路框图。

过压保护
　　在芯片的框图中，虽然没有为过压保护设计专门的通道，但这个功能是存在的。在实际应用过程中，一旦产生过电压，则必然将REG端的工作电平上拉，从而使初级绕组的工作行程 立即终止。只有当过压消除，REG端电压恢复到正常值，功率MOS管才能正常开关。 Starplug的应用
　　前已述及，STARplug有两种反馈方式，这两种方式就构成了STARplug作为反激式AC/DC转换器的两种典型应用电路。
　　图2是最简单最基本的应用电路，其特征就是由变压器的辅助绕组来反馈电网和负载的变化。
　　由图2可见，由整流桥和滤波器组成了电路的输入部分，并通过变压器初级绕组加到TEA162x的Drn端。显然，TEA162x是整个转换器的心脏，以下围绕TEA162x分析一下图2的各部分电路。

　　1. 由C3R2组成振荡电路
　　振荡电路元件的值是根据工作频率来确定的，STARplug的开关频率可在10kHZ到200kHZ之间工作，通常工作频率大都选在40~100kHZ之间。
　　频率选定了，则可按下式来计算元件值： 

 　　振荡器的充电时间tcharge，由STARplug的参数表中查出为1us。
　　至于RC的取值，可先选定C，然后再算R值，要保持电路的稳定，电容C必须大于220pF，但从效率方面来考虑，频率高时亦不宜将电容选得太大，例如200kHZ时，C取10nF，则振荡器的功耗达到12.5mW，这显然是不可取的。
　　推荐实例：开关频率取100kHZ，这时振荡器的时间常数为2.7us，C取330pF，R=7.5kΩ。

2. 过流保护和绕组短路保护电阻R3：
　　电阻R3设置了变压器初级峰值电流，也设定了最大传输的输出功率，电阻R3的值可用下式计算：

　　

由STAR plug的手册可得知：

　　实例：一个3W的电源，开关频率为100kHZ，效率为75%，通过变压器的峰值电流为230mA(反射电压)，则电阻R3设定为2Ω，限定峰值电流为250mA。

 

3. 稳压元件R4和R8：
　　在辅助绕组反馈的电路中，输出电压是受辅助绕组控制的。实际上在变压器中所有绕组都有同一个磁通变量，次级输出电压和辅助电压VCC是通过变压器的匝数比Na/Ns而关联的。VCC的电压信息又通过一个电阻分压器，即R4和R8提供给REG端的，因此，TEA162X直接稳定了VCC的输出电压，间接的稳定了输出电压。
　　这两个电阻的值可由下式确定：

　　为防止瞬时高压对REG的影响，推荐R4的值为3k-10kΩ之间。

4、退磁电阻R5：
　　这个电阻是用来限制流入Aux腿的电流的，根据产品的技术条件，流入Aux腿的最大电流为5mA，流出的最大电流为10mA，基于这点，产品的设计者给出了一个近似的估算式：

 

　　这个式子，不要从量纲上去考虑，仅作为一个经验的估算法。

5、供电电路C5、R6、D8：
　　前已述及，芯片内的高压启动电流源对电容C5充电，当充电电压达到电路启动电压9V以上时，TEA162x进行工作状态。C5的值应小1uF，实际上在所有的应用中都选用470nF。
　　与辅助绕组相连的二极管只需选用普通二极管。与二极管相连的电阻R6，是用来防止瞬时峰值电压的，其阻值要由实验确定，开始实验时可在56~560Ω之间选择。
　　图3是用光电藕合器来反馈的典型应用电路。从初级侧来看，其最大的区别就是在图3中用光电晶体管来取代图2中的电阻R8，而图3的次级则增加了发光二极管及其采样、驱动电路。
　　图2所示的AC/DC转换器适宜作电压源，其稳压精度与变压器各线圈的耦合度有关，大约在8%以内，对于那些对稳定度要求不高而对成本要求很高的场合，可选用此方案。
　　如果对稳压精度及其它参数要求较高的用户，如稳定精度要求达到1%左右的用户，则应采用图3所示的方案。

本文后记
　　近期的实践表明，STARplug已成功地在下列方面得到了应用：适配器产品系列：5V/1A，5V/2A，9V/1A，12V/1A等等，热工仪表，电力仪表，红外节水器具，LED灯驱动电源，DVD，机顶盒等．