一种简化离线式开关电源的设计

1万 · 2014-2-26 23:22

开关电源的使用日益普及，电视机、机顶盒和录像机均采用这种方式供电，移动电话充电器、PDA(个人数字助理)，甚至一些电动牙刷都采用开关电源。

与传统的线性电源相比，开关电源具有许多优点。在通常情况下，如果只需要一个直流输出，采用一个变压器、整流器和滤波电容就可构成线性电源。有时，可采用一个线性稳压器提供稳压输出。这种系统的主要优点是简单，所以成本通常较低。而开关电源通常结构复杂、价格昂贵，所以线性电源获得了广泛应用。表1 列出了两种系统的优点和缺点。

表1线性与开关电源对比

1万 · 2014-2-26 23:23

开关电源电路有许多种，但最常见的是反激式转换器，其原理如图1所示，电源输入首先经过整流，然后滤波，接下来经过变压器和初级开关，以及初级控制器；这个控制器根据反馈信号来改变开关的占空比，反馈信号是由次级反馈而来。

尽管可采用电感器，但所示设计采用的是未隔离的变压器。隔离设计在离线设备中更为常见，在离线设备中，变压器具有隔离作用，可方便地实现占空比调整。反激式开关电源可在非连续导通和连续导通两种模式下工作，不连续导通模式如图2所示。Ilm和Vlm是变压器磁化电感通过的电流和施加的电压。

1万 · 2014-2-26 23:23

表2开关电源的两种导通模式

1万 · 2014-2-26 23:24

当开关闭合时，电压施加在变压器初级的两端，因为此时次级二极管是截止的，变压器所起的作用就像电感器。经过初级线圈的电流会上升，同时能量储存在磁通量中。当开关断开时，次级二极管导通，电流通过次级时会下降，因为能量被转换至次边大容量电容器。如果电流经过磁化电感区后降至零，这是不连续导通模式。如果磁化电流未降至零，如图3所示，则系统以连续导通模式工作。

两种模式各有其优缺点，可根据设计要求进行选择。可以挑选大负载的连续模式设计，或选择小负载的非连续模式设计。有电压和电流两种控制模式，在电压模式中，次边电压被反馈，直接控制工作循环；而在电流模式中，次边电压被反馈，控制最大的开关电流，即控制IC的PWM部分使开关闭合，当电流达到反馈设定的极限时，开关就断开。

1万 · 2014-2-26 23:24

控制器的选择

过去，大多数SMPS系统采用分立控制器IC和用场效应晶体管(FET)作为开关，现在可以采用集成控制器，这些集成器件针对各种功率级别和应用进行了优化，通常可分为双芯片式和单芯片式两类。双芯片式包括控制器芯片和MOSFET芯片，而单芯片式仅有一个芯片，一般采用BCDMOS工艺制造。采用 BCDMOS工艺制造高压功率MOSFET器件，它的局限性多于采用优化MOSFET工艺制造的器件。通常，采用BCDMOS工艺制造的芯片的单位面积 RDS(on)值会高出许多。

然而，单芯片解决方案的成本较低，在低功率应用领域具有优势。因此，一般是为高功率应用选择双芯片方案，而为低功率应用选择单芯片方案，高低功率的分界点在15至20W左右，飞兆半导体有提供两种类型的功率开关。

1万 · 2014-2-26 23:25

应用实例

图4所示为采用KA5M0365R的通用开关模式电源的电路图，KA5M0365R是双芯片器件。电源的输入电压为85～265VAC，开关频率为66kHz，输出为3.3V、1.2A，5V、1.5A，9V、0.5A和33V、0.1A。

图4

1万 · 2014-2-26 23:26

内部MOSFET的额定值为3A和650V，但不是简单的MOSFET，而是SenseFET，其源极面积约有1%被隔离出来，形成次感应源极。漏极电流的1%来自感应源极，它流经集成电阻器，便于准确地测量电流值，不存在与外部电流采样电阻器相关的损耗。
自线路输入端开始，首先是一个用于抑制EMI的滤波器，接下来是桥型整流器、NTC电阻器和滤波电容器。NTC电阻器用于避免开关闭合时的电流浪涌。在第一次接通电源时，FPS以旁路模式工作，吸收极少的电流，Vcc电容器被充电，一旦达到电压锁定阈值15V范围的上限，该器件就开始开关，它的电流需求增加，Vcc电压开始下降。然而，假定Vcc电容器足够大，Vcc电压仍保持在电压锁定阈值范围的较低水平，在正常运作期间，第三线圈开始供电。
缓冲网络(Snubber Network)连接在变压器初级的两端，以确保变压器泄漏电感引起的尖峰信号，不会造成开关漏极电压超过其击穿电压。如果超过击穿电压，器件会发生雪崩，由于它具有一定的雪崩额定值，这样仅仅多消耗一点功率，不需配置昂贵的齐纳缓冲器。
有四个次级线圈提供四路电压输出，通过一个光耦，由431型电压参考器提供反馈信号。

1万 · 2014-2-26 23:27

保护功能
所有的离线式电源必须达到一定的安全标准，图4所示的设计具有良好的保护功能，得益于控制器具有的过载保护、过压保护、过流保护、欠压保护和过热保护特性。
如果电源超负载但未短路，输出电压将会降低，反馈电压上升，占空比增加以进行补偿。然而，因为初边电流有限，可转换的最大功率也是有限的，因此反馈电压将继续上升。一旦它达到阈值，器件的开关动作就会停止。过载保护可延时以避免负载瞬变导致的错误触发。如果在反馈回路中出现开路故障，反馈引脚电压将上升，导致工作循环增加，输出电压也将上升，Vcc引脚电压同样也上升，一旦Vcc电压达到保护阈值，设备就关闭，以避免损害次级。
如果在反馈回路中出现短路故障，反馈引脚将接地，器件的开关动作也会停止。如果次级整流器发生短路，或负载短路，在开关闭合之后，立即有大电流流经开关，从而造成损害。因此，器件会测量在开关闭合后极短时间内的电流，如果电流值比阈值高，器件会停止运转。如果器件试着自动重新启动，保护功能会锁死开关动作以避免重复的应力。另外，器件具有前沿屏蔽功能。

1万 · 2014-2-26 23:28

针对特定应用的改进
低功率电源常常是备用、辅助电源，或用于内务处理，FSDH0165或FSDH565等单芯片器件适用于此类电源，芯片集成了控制器和SenseFET。
由于器件采用BCDMOS技术制造，不存在起动电阻器。有可能将高压整流电源直接连接到器件上，其起动与双芯片器件相似，然而，区别是该器件用内部电流源为Vcc电容器充电，一旦Vcc引脚电压达到阈值电压，器件起动，电流源从内部断开，因此在正常运作期间，不从电路中直接吸取能量，因而效率提高。对于较高功率电源，可采用图5所示的系统，它与先前的系统很相似，但它以准谐振模式工作，Lm不是一个单独的元件，而是变压器的一部分。
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在这种模式下，开关频率与输入电压和负载水平无关，在低输入电压和大负载的情况下，频率降低，而在高输入电压和小负载的情况下，开关频率升高。在最大输入电压下，所需频率不应超过最高开关频率150kHz，因此施加的负载应有所限制。准谐振模式的优点是EMI较低和效率较高。
这里未出现先前所用的传统RCD(电阻器电容器二极管)缓冲器，作为替代，采用一个与开关并联的小型电容器，电源开关配有一个额外的同步引脚，用于开通SenseFET。在次级二极管截止之前，其工作与非连续电流反激方式基本相同。在初级二极管截止后，开关管漏极开始振铃动作，频率由串联的电容器和初级电感量所决定。同步引脚电压开始下降，当电压超过阈值时，开关再次闭合。选择合适的同步引脚元件，使得漏极电压达到最小值时，同步电压达到阈值。该系统为软开关型，具有很小的EMI，因为漏极电压很小，开关损耗也降至最低。

1万 · 2014-2-26 23:28

但这里忽略了功率因数校正问题，因为在欧洲已经要求所有功耗超过75W的设备需进行功率因数校正。
有几种方法可实现功率因数校正，从简单的无源解决方案到较复杂和性能较好的有源解决方案。飞兆半导体的ML4803采用小型8引脚封装，集成了PFC和PWM SMPS控制器，在技术和成本具有相当的优势。
现在已经有多种适合不同应用和功率范围的器件，使离线式开关电源的设计变得更为简单。

一种简化离线式开关电源的设计

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