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開關電源廠家,基立電源ENGLISH
單片開關電源的發展及其應用
2018-11-5      瀏覽次數:2301

1 集成開關電源的發展簡況

    開關電源被譽為高效節能電源,它代表著穩壓電源的發展方向,現已成為穩壓電源的主流產品。近20多年來,集成開關電源沿著下述兩個方向不斷發展。第一個方向是對開關電源的核心單元——控制電路實現集成化。1997年國外首先研制成脈寬調制(PWM)控制器集成電路,美國摩托羅拉公司、硅通用公司(Silicon General)、尤尼特德公司(Unitrode)等相繼推出一批PWM芯片,典型產品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以來,國外又研制出開關頻率達1MHz的高速PWM、PFM(脈沖頻率調制)芯片,典型產品如UC1825、UC1864。第二個方向則是對中,小功率開關電源實現單片集成化。這大致分兩個階段:80年代初意-法半導體有限公司(SGS-Thomson)率先推出L4960系列單片開關式穩壓器。該公司于90年代又推出了L4970A系列。其特點是將脈寬調制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中,使用時需配工頻變壓器與電網隔離,適于制作低壓輸出(5.1~40V)、大中功率(400W以下)、大電流(1.5A~10A)、高效率(可超過90%)的開關電源。但從本質上講,它仍屬DC/DC電源變換器。 

    1994年,美國動力(Power)公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調制型單片開關電源,被人們譽為“頂級開關電源”。其第一代產品為TOPSwitch系列,第二代產品則是1997年問世的TOPSwitch-II系列。該公司于1998年又推出了高效、小功率、低價格的四端單片開關電源TinySwitch系列。在這之后,Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端單片開關電源,亦稱高壓功率開關調節器(HighVoltage Power Switching Regulator)。目前,單片開關電源已形成四大系列、近70種型號的產品。 

    2 TOPSwitch-11系列三端單片開關電源 

    根據封裝形式,TOPSwitch-II可劃分成三種類型:TOP221Y~227Y(TO-220封裝),TOP221P~224P(DIP-8封裝),TOP221G~224G(SMD-8封裝),產品分類詳見表1。其中以TOP227Y的輸出功率為最大。 

    2.1 TOPSwitch-11的性能特點 

    (1)  TOPSWitch-II內部包括振蕩器、誤差放大器、脈寬調制器、門電路、高壓功率開關管(MOSFET)、偏置電路、過流保護電路、過熱保護及上電復位電路、關斷/自動重啟動電路。它通過高頻變壓器使輸出端與電網完全隔離,使用安全可靠。它屬于漏極開路輸出的電流控制型開關電源。由于采用CMOS電路,使器件功耗顯著降低。 

    (2)  只有三個引出端:控制端C、源極S、漏極D,可同三端線性穩壓器相媲美,能以最簡方式構成無工頻變壓器的反激式開關電源。為完成多種控制、偏置及保護功能,C、D均屬多功能引出端,實現了一腳多用。以控制端為例,它具有三項功能:①該端電壓VC為片內并聯調整器和門驅動級提供偏壓;②該端電流IC能調節占空比;③該端還作為電源支路與自動重啟動/補償電容的連接點,通過外接旁路電容來決定自動重啟動的頻率,并對控制回路進行補償。 

    (3)  輸入交流電壓的范圍極寬。作固定電壓輸入時可選220V±15%交流電,若配85~265V寬范圍變化的交流電,最大輸出功率要降低40%。開關電源的輸入頻率范圍是47~440Hz。  

    (4)  開關頻率典型值為100KHz,占空比調節范圍是1.7%~67%。電源效率為80%左右,最高可達90%,比線性集成穩壓電源提高近一倍。其工作溫度范圍是0~70℃芯片最高結溫Tjm=135℃。

    (5)  TOPSwitch-II的基本工作原理是利用反饋電流IC來調節占空比D,達到穩壓目的。舉例說明,當由于某種原因致使開關電源的輸出電壓VOT時,經過光耦反饋電路就使Ic↑→誤差電壓Vrt→D↓→Vo↓,使Vo保持不變。反之亦然。  

    (6)  外圍電路簡單,成本低廉。外部僅需接整流濾波器、高頻變壓器、初級保護電路、反饋電路和輸出電路。采用此類芯片還能降低開關電源產生的電磁干擾。 

    2.2 典型應用 

    TOPSwitch-II可廣泛用于儀器儀表、筆記本電腦、移動電話、電視機、VCD和DVD、攝錄像機、電池充電器、功率放大器等領域,并能構成各種小型化、高密度、低成本的開關電源模塊。此外,它還適合構成后備式開關電源,非隔離式開關電源、恒流恒壓輸出開關電源,供無線通信用的DC/DC電源變換器、恒功率調節器、功率因數補償器等。 

    2.3 電路設計要求  

    (1) TOPSwitch-II的反饋電路中需配光電耦合器與輸出電路隔離。設計精密開關電源時,還應增加一片TL431型可調式精密關聯穩壓器,由它構成外部誤差放大器,來代替取樣電路中的穩壓管。精密開關電源的電壓調整率Sv、電流調整率Sl均可達±0.2%左右,接近于線性集成穩壓電源的指標。 
(2) 應選用電流傳輸比(CTR)能線性變化的光電耦合器,如PC817A,NEC2501、6N137等型號,不推薦采用4N25、4N35等4N××型普通光耦。后者的線性度差,傳輸模擬信號時會造成失真,影響開關電源的穩壓性能。  

    (3) 高頻變壓器的初級必須設置保護電路,用以吸收漏感引起的尖峰電壓,確保MOSFET不被損壞。這種保護電路應并聯在初級上,具體有4種設計方案:①由瞬變電壓抑制二極管(TVS)和超快恢復二極管(SRD)組成鉗位電路;②由TVS與硅整流管(VD)構成的鉗位電路;③由阻容元件與SRD構成的吸收電路;④由阻容件與VD構成的吸收電路。上述方案中以①的效果最佳,能充分發揮TVS響應速度極快、可承受高能量瞬態脈沖之優點。方案②次之。  

    (4) 使用芯片時需加合適的散熱器。對于TO-220封裝,可直接裝在小散板上。對于DIP-8和SMD-8封裝的可將4個源極焊在面積為2.3的印制板敷銅箔上代替散熱片。 

    (5) 為抑制從電網引入的干擾,也防止開關電源產生的干擾向外部傳輸,需在電源進線端增加一級電磁干擾濾波器(EMI filter)亦稱電源噪聲濾波器(PNF)。  

    (6) 使用此類芯片時,源極引線要盡量短。為使空載或輕載時輸出電壓穩定,應在穩壓電源輸出端接一只幾百歐的電阻作為最小負載,亦可并聯一只穩壓管。 

    3 TinySwitch系列四端開關電源

    TinySwitch是Power公司新推出的一種高效、小功率四端單片開關電源。因所構成開關電源的體積很小,故稱TinySwitch微型開關 系列。它比三端單片開關電源增加一個使能端,使用更加方便靈活。TinySwitch系列性優價廉,外圍電路非常簡單,特別適合制作10W以下的微型開關電源或待機電源,是取代效率低、體積較大的小功率線性穩壓電源的理想產品。 

    3.1TinySwitch的性能特點  

    (1) TinySwitch有DIP-8、SMD-8兩種封裝形式、6種型號。產品分類見表2。盡管采用8腳封裝,實際上只有四個腳:S、D、BP(相當于控制端)、EN(使能端),因此等效于四端器件。利用使能端可從外部關斷MOSFET,并且在快速上電時輸出電壓無過沖現象、掉電時MOSFET也無頻率倍增現象。  

    (2) 高效、小功率輸出。選220V交流電源時,其空載功耗低于60mW。它適宜制作0~10W的小功率、低成本開關電源,比線性穩壓電源大約可節電38%。  

    (3) 采用開/關控制器來代替PWM對輸出電壓進行調節。開/關控制器可等效為脈沖頻率調制器(PFM),其調節速度比普通的PWM更快,對紋波抑制能力更強。  

    (4) 與TOPSwitch-II相比,它在電路設計上頗具特色。第一,交流輸入端可省掉EMI濾波器;第二,初級保護電路不需使用TVS,僅用RC電路即可吸收尖峰電壓;第三,不用反饋線圈及相關電路,也不加回路補償元件;第四,芯片內部增加了使能檢測與邏輯電路。 

    3.2TinySwitch的應用 

    該系列產品適合制作手機電池恒壓恒流充電器、IC卡付費電度表中的小型開關電源模塊,以及微機、彩電、攝錄像機等高檔家用電器中的待機電源。例如,目前生產的大屏幕彩電均具有待機功能,使用遙控器關閉電源之后,即進入待機狀態。此時彩電中開關電源的功率開關管呈關斷狀態,改由待機電路繼續給CPU供電,使整機功耗降至最低。由TNY253P可構成5V、1.3W的彩電待機電源。它利用彩電主電源產生的直流高壓作輸入電壓,的允許范圍是120~375V(視彩電型號而定),而Vo=+5V。使用一片TNY255P則可構成PC機的5V、2A待機電源。由TNY254P構成的+6.7V、3.6W手機電池恒壓、恒流充電器,能在85~265V交流輸入電壓范圍內,對6V鎳氫(NIMH)電池充電。此外,TinySwitch還適合制作小型家電(如隨身聽)的適配器(adapter),將220V交流電源變成所需直流穩壓電源。這種適配器不僅沒有笨重的變壓器,而且效率高、體積小、穩壓性能好,能完全取代目前市售的各種插頭式AC/DC變換器。 

    4 MC33370系列五端單片開關電源 

    MC33370系列包括MC33369~MC33374五種規格、17種型號。以TO-220五腳直彎式封裝為例,其產品分類見表3。表中的RDS(ON)表示漏-源極導通電阻,ID(PK)代表漏極峰值電流。 

    1 MC33370的性能特點 

    (1) 它比TOPSwitch-II增加了電源端(Vcc)和狀態控制器的輸入端(State Control input);芯片內部增加了欠壓鎖定比較器、外部關斷電路和可編程狀態控制器。其性價比要優于TOPSwitch-II,而外圍電路更趨簡單。  

    (2) 利用可編程狀態控制器及外部模式選擇電路,能實現多種控制方式(包括手動控制、由微控制器MCU操作、數字電路控制、禁止操作等),實現工作狀態與備用狀態的互相切換。 

    (3) 內部集成了一只被稱為“敏感場效應管(Sense FET)”的電流傳感式功率開關管,用它能無功率損耗地實時檢測漏極電流ID的大小,進行過流保護。  

    (4) 當交流電源為固定值或變化率不超過±20%時,允許去掉高頻變壓器的反饋線圈以及相關的高頻濾波電路。這有助于進一步簡化外圍電路,降低開關電源的成本。為滿足特殊應用的需要,還可給開關電源增加軟啟動功能。 

    (5) 電源效率高。由它構成開關電源或電源模塊的效率可達80%以上。在備用狀態下靜態功耗低至幾十至幾百毫瓦。  

    (6) 占空比調節范圍更寬,可達0.1~74%。脈寬調制增益的典型值為-14%/mA。芯片的工作結溫是-40~150℃,過熱保護溫度定為157℃(TOPSwitch-II僅為135℃)。 

    4.2 MC33370的應用 

    MC33370系列可廣泛用于辦公自動化設備、儀器儀表、無線通信設備及消費類電子產品中,構成高壓隔離式AC/DC電源變換器。在作特殊應用時,還可去掉高頻變壓器的反饋繞組及快恢復二極管、濾波電容,改用穩壓管或雙極型晶體管、MOS管來進行串聯調整。此外,利用這種芯片還能制作高壓步進電源。




   
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