AC-DC電源管理仿真設(shè)計(jì)

1 引言

開關(guān)電源是近幾年電源市場的焦點(diǎn)之一，它最大的優(yōu)點(diǎn)是大幅度縮小變壓器的體積和重量，這樣就縮小了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量。一般說來，開關(guān)電源的重量是線性電源的1/4，相應(yīng)的體積大概是線性電源的1/3。所以開關(guān)電源對(duì)低檔的線性電源，尤其是20W以下的線性電源構(gòu)成了威脅，大有取而代之之勢。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電源除了PWM 和功率MOSFET之外還包括50個(gè)左右的分立元件，這不但增加了成本、體積，而且還使可靠性受到了影響。這主要是生產(chǎn)工藝上的原因，開關(guān)電源在集成化上一直沒有突破。

近幾年，隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟，已經(jīng)能將低壓控制單元和高壓大功率管集成到同一塊芯片之中。TI、ON SemIConductor、Power、 Integrations等公司都已經(jīng)有類似的產(chǎn)品，而國內(nèi)則幾乎是一片空白。由于開關(guān)電源在體積、重量、效率以及可靠性上的優(yōu)勢，它的研究和發(fā)展速度是驚人的。

其主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①郵電通信：作程控交換機(jī)、移動(dòng)通信基站電源；②計(jì)算機(jī)：作為各種PC機(jī)、服務(wù)器、工業(yè)控制機(jī)的開關(guān)電源；③家用電子產(chǎn)品：目前使用開關(guān)電源的家用電子產(chǎn)品有電視機(jī)、影碟機(jī)等；④其他行業(yè)：如電力、航天、軍事等領(lǐng)域。

根據(jù)工藝的發(fā)展和市場的需要，將核心部分功率MOSFET和低壓PWM控制器集成在一塊芯片中。同時(shí)，還具有過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓鎖定、自動(dòng)重啟動(dòng)、過流保護(hù)等功能。這種新型的開關(guān)電源集成電路給電源系統(tǒng)帶來了很多優(yōu)勢。該芯片交流輸入可直接從電網(wǎng)接入，應(yīng)用功耗低，成本低，體積小，同時(shí)還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了成本，使電子工程師的設(shè)計(jì)更加簡單。該芯片可用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)單端接地電源系統(tǒng)，如接一個(gè)振蕩回掃的二次線圈變壓器后輸出一直流電壓。

2 工作原理

此開關(guān)電源為一中頻集成模塊，設(shè)計(jì)頻率為 100kHz，最大占空比為70％，它包括一個(gè)恒頻脈寬調(diào)制器和一個(gè)高集成度電源開關(guān)電路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個(gè)組合開關(guān)的高壓側(cè)可對(duì)從85~265V的交流電壓進(jìn)行連續(xù)控制，可以應(yīng)用于多數(shù)常規(guī)電源系統(tǒng)。

通過一個(gè)光電耦合管，將負(fù)載變化情況反饋到芯片內(nèi)部，反饋信號(hào)在2.7k的電阻上產(chǎn)生電壓降，經(jīng)過7kHz的低通濾波器，把高頻開關(guān)噪音濾掉，以直流電壓形式輸入到PWM模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生占空比隨反饋信號(hào)變化的脈沖波，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)了PWM的調(diào)節(jié)。除此之外，功率MOSFET的源極接一電阻，來實(shí)現(xiàn)每周期的限流保護(hù)。

正常情況下，1/8分頻器輸出信號(hào)使得功率 MOSFET導(dǎo)通，若故障發(fā)生，它的輸出信號(hào)使得功率MOSFET關(guān)斷，并且它自身開始計(jì)數(shù)，第1 個(gè)周期，功率MOSFET導(dǎo)通。若沒有排除，以此規(guī)律循環(huán)下去；若故障排除，則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。該IC外接變壓器，實(shí)現(xiàn)AC-DC功能后，不同規(guī)格的變壓器可獲得不同的直流電壓。

3 內(nèi)部功能模塊介紹

3.1 振蕩器電路

如圖2所示，該振蕩器利用兩個(gè)比較器輪流導(dǎo)通，對(duì)電容進(jìn)行充放電，獲得了在電壓在2.7~4.1V震蕩的鋸齒波。其設(shè)計(jì)頻率為100kHz，占空比為 70%。對(duì)電容充放電時(shí)，利用MOS管飽和區(qū)工作電流恒定的原理，實(shí)現(xiàn)恒流充放電。其等效簡化電路模型如圖3所示。充電時(shí)，開關(guān)S合到3端，可得

DQ=“DU”×C （1）

且DU=4.1-2.7=1.4v （3）

式中，C = 40pF， IP=“18”.6mA，可以計(jì)算出T P=“3ms”。 放電時(shí)，開關(guān)S打到8端，可得

式中，IN=8mA，可以計(jì)算出 TN =7ms。

T=“Tp”+T N=“10ms” （5）

占空比的設(shè)計(jì)也是需要考慮的，當(dāng)占空比提高后，整個(gè)IC及外接電路構(gòu)成的電源效率都會(huì)提高。

但是又不能無限的提高，使之接近100％，這主要是變壓器磁通的建立和恢復(fù)是有時(shí)間限制的。同時(shí)，長時(shí)間的導(dǎo)通，功率MOSFET容易燒壞。

3.2 偏置電路

該電路采用三管能隙基準(zhǔn)電源，如圖4所示。 T2的發(fā)射極電壓如式（6）所示。由公式可知，利用等效熱電壓 Vt的正溫度系數(shù)和Vbe 的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償，可使輸出基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近為零 （由于T6和T2的Vbe相同，所以輸出電壓 Vref和T2發(fā)射極電壓相同）。

3.3 PWM調(diào)制電路

由光耦管耦合過來的反應(yīng)負(fù)載變化情況的信號(hào)首先經(jīng)過一個(gè)7kHz的低通濾波器，然后送到PWM比較器和振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。該低通濾波器的頻率響應(yīng)為

可作為設(shè)計(jì)參數(shù)使用。

3.4 過壓保護(hù)，欠壓鎖定電路

設(shè)計(jì)的內(nèi)部電路工作電壓環(huán)境為7.5~8.6V，該電路如圖5所示，由比較器C1，C2和電阻R1 、R2、R3、R 4組成。由于遲滯比較器的作用，當(dāng)Vcc 處于7.5~8.6V時(shí)，IC正常運(yùn)行。當(dāng)Vcc 》8.6V時(shí)，C1輸出高電平，直接使放電NMOS管導(dǎo)通，進(jìn)行放電。該NMOS管設(shè)計(jì)得比較大，這樣可以迅速地放電，使IC及時(shí)地回到安全狀態(tài)。若該 Vcc故障仍然存在，將用八分頻計(jì)數(shù)器來計(jì)數(shù)。這個(gè)八分頻計(jì)數(shù)器使得功率MOSFET關(guān)閉，電容將在8個(gè)連續(xù)周期內(nèi)反復(fù)充放電，8個(gè)周期后，若故障排除，整個(gè)IC進(jìn)入正常工作狀態(tài)，功率MOSFET開通。這種設(shè)計(jì)可大大減少功率MOSFET的耗散功率。當(dāng)內(nèi)部工作電壓Vcc《7.5V時(shí)，C1輸出一低電平，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)高壓啟動(dòng)電路，對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電。同時(shí)，該低電平也送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，這樣便實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)功能。一般說來Vcc 《7.5V，是由負(fù)載短路或過載引起電源變壓器的附加線圈輸出電壓失落，沒有足夠的電壓對(duì)芯片供電所致。

3.5 熱關(guān)斷電路

熱關(guān)斷電路如圖6所示。正常情況下T ＝25℃，Vz＝6.3V，V BE1＝0.75V，VBEH=0.65V，此時(shí) VH = R3 （ Vz -VBE1） / （R2+R3）=0.43V《 VBEH

故Q1不導(dǎo)通，從而Vout 為高電平。

故障狀態(tài)，穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)為正，而晶體管的VBE 為負(fù)溫度系數(shù)。設(shè)計(jì)的溫度保護(hù)能力（當(dāng)T＝150℃）為

同樣計(jì)算可得VH（150℃）＝0.46V，這樣Q 2 導(dǎo)通，Vout為低電平。此信號(hào)直接關(guān)斷功率MOSFET。同時(shí)這個(gè)脈沖信號(hào)也輸入到1/8分頻器，做計(jì)數(shù)用。

3.6 高壓啟動(dòng)電路

高壓啟動(dòng)電路如圖7所示，當(dāng)IC上電后，整個(gè)IC處于建立工作環(huán)境的狀態(tài)。VDMOS的柵極為高電平，則該管導(dǎo)通，Out端有充電電流。當(dāng) Vcc達(dá)到8.6V時(shí)，過壓保護(hù)電路送來信號(hào) Vstart為一低電平，使得P2導(dǎo)通，這樣VDMOS截止。另外 R1的作用是充電電流過大時(shí)，使P1、Q1導(dǎo)通，使 VDMOS截止，起到保護(hù)作用。此充電電流能力設(shè)計(jì)值為3mA，超過該值，VDMOS就會(huì)截至。根據(jù)計(jì)算，整個(gè)IC建立工作環(huán)境所需的時(shí)間為40ms，與實(shí)際仿真結(jié)果相符。

3.7 驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的目的是為了去除驅(qū)動(dòng)信號(hào)的毛刺和對(duì)功率MOSFET的柵極起保護(hù)作用（圖8）。正常時(shí)，N1、N2、N3都處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路內(nèi)部電源電壓Vcc由低電平突然變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，電容C兩端電壓不能突變，這樣N1導(dǎo)通，使輸出為0。另外當(dāng)IC突然上電時(shí)，由于功率MOSFET的柵漏電容的存在，使柵極的電壓為高電平，但是由于設(shè)計(jì)中加了電阻 R和N3的存在，對(duì)柵極構(gòu)成旁路，起到保護(hù)作用。最后就是如果IC突然斷電時(shí)，則功率管漏極沒有大電流供給。如果此時(shí)驅(qū)動(dòng)為高電平，則可以從 R上卸流，最終使低電平變低。總之，N1、N2、N3對(duì)功率MOSFET 的柵極起保護(hù)作用。

3.8 前沿消隱電路

前沿消隱電路如圖9所示。正常時(shí)，A點(diǎn)電壓較低，2管導(dǎo)通，則C2輸出為高電平；故障時(shí)，也就是功率MOSFET的電流過大時(shí)，A點(diǎn)電位升高，使得2管關(guān)閉，這樣C2輸出為低電平，出現(xiàn)故障脈沖。值得一提的是，2管的柵極輸入信號(hào)和它的源極輸入信號(hào)不是同步的，這樣設(shè)計(jì)的好處是可以避免短暫時(shí)間內(nèi)電流過大的情況。若電流一直很大，則可以發(fā)揮前沿消隱作用。這兩個(gè)信號(hào)的延時(shí)大小由幾級(jí)反相器和電容構(gòu)成，其中以電容的貢獻(xiàn)最大，其設(shè)計(jì)延時(shí)時(shí)間為200ns。

4 仿真結(jié)果

仿真過程中，著重對(duì)正常運(yùn)行、過壓、欠壓、過流、過載等情況做了分析。圖10中模擬了負(fù)載變化時(shí)功率MOSFET輸出的變化情況。最下面一條波形為負(fù)載情況經(jīng)過光耦合和低通濾波器后的電壓，中間一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào)，最上面一條波形為功率MOSFET柵極上的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)?？梢钥闯?，由于充電，Vcc不斷增加達(dá)到8.6V時(shí)便不再增加（過壓保護(hù)電路起作用），IC開始工作。當(dāng)負(fù)載逐漸變小時(shí)，引起反饋電壓升高，使得反饋到IC的信號(hào)增大，其功率MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)電壓的占空比減少，最終為0。

圖11中模擬了IC內(nèi)部電壓發(fā)生異常時(shí)的情況。最下面一條波形為功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，中間一條波形為自動(dòng)重啟動(dòng)電路的工作信號(hào)（Vstart），最上面一條波形為IC內(nèi)部電壓 Vcc信號(hào)?？梢钥闯觯?dāng)Vcc 上升到8.5V時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)電路關(guān)閉，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，這時(shí)功率MOSFET 還處于工作狀態(tài)。當(dāng)Vcc 降低到7.5V時(shí)，自動(dòng)重啟動(dòng)電路開始工作，對(duì)外接10μF電容進(jìn)行充電。這樣反復(fù)進(jìn)行8次，在第九個(gè)周期時(shí)，功率MOSFET再次工作，符合最初的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于便攜式設(shè)備的功率開關(guān)電源的IC，通過對(duì)其功能及特性的分析，設(shè)計(jì)了各個(gè)子模塊的電路，并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈敏、精確，各種保護(hù)電路動(dòng)作及時(shí)可靠。