离线开关电源设计浅析

    开关电源(Switched mode power supplies, SMPS）由于在体积、重量和效率等多方面的优势，已经被越来越广泛地应用于计算机、通信和家用电器等领域。电视、机顶盒和录像机等家电设备大都在使用这种电源，用于手机、PDA甚至电动牙刷的许多电池充电器也在使用开关电源，因为它们具备传统线性电源所没有的优势。通常，如果需要一个DC输出，最简单的解决方式是使用一个线性电源，即包括一个变压器、一个整流器和平滑滤波电容器。有时需要一个线性调节器来调节输出，但对于简单的电池充电等应用，是不需要的。线性电源的优势在于简单、成本低，而SMPS比较复杂，成本高。一直到最近几年，线性电源曾被普遍采用，不可否认，线性电源比起SMPS仍具有一些技术优势，但是差距在逐步缩小。
　　尽管SMPS布局多种多样，但最常见的是回扫变换器。输入电压首先被整流、平滑，然后经过变压器和初级开关，初级控制器根据来自次级的反馈信号改变占空因数。一个未隔离的变压器，有时也可用一电感器。隔离设计在离线应用中比较常见，变压器需要提供隔离并有一个合适的占空因数。回扫SMPS有两种工作方式：连续性和非连续性传导，是一非连续性传导模式，其中Ilm和Vlm分别为变压器磁电感的电流和电压。在开关接通时，电压被加到变压器的初级，此时，次级二极管是断开的，变压器相当于一个电感器，电流只流经初级线圈，并将能量以磁通量的形式储存于线圈内；在开关断开后，次级二极管接通，电流通过次级线圈，能量被转换到次级大容量电容器，磁感应电流逐渐减小到零，因此是一非连续传导模式。如果磁感应电流没有减小到零，即为连续传导模式。
　　上述两种模式各具特点，可供设计者选择使用。可以使一个设计以大负载工作在连续模式或以小负载工作在非连续模式。同样有两种控制模式：电压和电流型。在电压模式，次级电压被反馈回来直接控制占空因数；而在电流模式，次级电压被反馈回来控制最大开关电流。换句话说，控制IC的脉冲宽度调制（PWM）部分接通电路，在电流达到由反馈信号设定的限定值后，断开电路。 过去，多数SMPS系统使用非连续控制器IC和开关（通常是场效应管FET）。现在，通过使用Fairchild公司的Power Switch系列集成控制器，可得到非常明显的优势。为适合各种不同功率档次和应用的设计，器件通常可分为两类：双片和单片。双片型包括一个控制器电路芯片和一个金属氧化物场效应管（MOSFET）芯片，而单片型只包括一块电路，用BCDMOS工艺制造。在BCDMOS工艺下生产的高压（HV）功率MOSFET比起优化MOSFET生产工艺受到更多条件的限制。一般来说，在BCDMOS工艺下单位面积硅的Rdson值要大很多。但是，单片解决方案成本较低，在低功率应用中具有优势。因此，最好是在高功率时选择双片，而在低功率时选择单片，功率界限在15～20W，此范围内Fairchild两种类型的方案都可选用。
　　一个以FairchildK A5M0365R为基础设计的，大约20W的通用SMPS实际电路图，所用的为一双片器件，具体参数为：
　　输入电压：85～265VAC；开关频率：66KHz；
　　输出：3.3V,1.2A；5V,1.5A； 9V,0.5A； 33V,0.1A；
　　内置MOSFET工作在3A，650V，实际上并不是一个简单的MOSFET，而是一个Sense MOSFET，大约1%的源区被隔离出来用做次级感测源。1%的漏电流来自感测源，流经一个集成电阻，这样就可以精确测量电流，同时避免了在外部感测电阻的损耗。从输入开始，首先是一个用于抑制EMI的滤波器，然后是一个桥式整流器，NTC电阻和平滑电容。NTC电阻用来避免电路接通时的浪涌电流。在开始加电时，器件处于待机状态，只有很小的电流，Vcc上的电容器被充电，一旦达到欠压锁定上限值15V，开始接通电路，电流增加，Vcc下降。但是只要Vcc上的电容足够大，电压值Vcc会一直保持在欠压锁定值下限之上。正常运行时的功率由第三级绕组提供。
　　变压器初级连接有缓冲器电路，确保变压器漏电感所产生的尖峰电压不至于引起开关漏电压超过其击穿电压。如果它被击穿，器件雪崩，这样会消耗更多的功率，从而不再需要昂贵的齐纳二极管型缓冲电路。
　　Sense离线电源必须满足特定的安全标准，所示的设计，由于控制器的独有特性而得到有效的保护：过载保护(自动重起)；过压保护(自动重起)；过流保护(被锁定）；低压保护(自动重起)；高温保护(自动重起)。
　　如果电源过载，但没有短路，输出会减弱，此时反馈电压升高，从而增大占空因数进行补偿。由于初级电流是有限的，所能变换的最大功率也是有限的，反馈电压会继续升高，到达阈值时，器件断开。过载保护是时间延迟型以避免负载上的暂态引起的误触发。如果在反馈回路中出现开路错误，反馈脚电压会升高，引起占空因数增大，输出电压会因此升高，Vcc脚电压也会增大，Vcc在达到保护阈值时，器件关断，避免对次级造成损坏。如果在反馈回路中出现短路错误，反馈脚被拉到地，器件也会关断。如果次级整流器短路，或负载短路，在开关接通后马上会有大电流通过，这样可造成电路损坏。因此，器件在开关接通后极短的时间内即测得电流值，如果大于阈值，器件关断。如果器件进行自动重起，这种保护可被锁定避免重复电应力。
　　低功率电源在使用如FSDH0165和FSDH565等单片时很有益处，这些单片包括单一硅片上制造的控制器和SenseFET。一实际应用电路图，这里没有启动电阻，由于器件是采用BCDMOS技术生产，因此可以将高压(HV)整流线直接连接到器件本身。启动和双片很类似，不同点在于在给Vcc上的电容充电时采用内置电流源。一旦Vcc脚电压达到欠压阈值，器件启动，电流源被断开，因此在正常、高效工作时不会从线路吸取能量。
　　为一较高功率的电源，它和前一个系统很相似，但是工作在准共振模式下。Lm不是断开的，而是变压器的一部分。在这种模式下，开关频率依赖于输入电压和负载的大小，在低输入电压和高负载时，频率较低，反之在高输入电压和小负载时，频率较高，限制因素是最大开关频率150KHz。在输入电压最大时，由于频率不能超过此值，因此对负载有一定的限制。准共振模式的优势在于其低EMI和较高的效率。
　　没有前面所用的传统RCD缓冲电路，取而代之的是将一小电容并联在开关上，Power Switch有额外的接线脚，即Sync脚，用来导通Sense FET。在次级二极管断开之前，系统的工作过程大致和非连续电流回扫型相同。在此之后，开关的漏极开始以串联电容和初级电感决定的频率振荡。Sync脚电压开始衰减，当Sync 脚电压低于一阈值时，开关重新接通。Sync 脚电压分量是经过选择的，在其值达到电压阈值时，漏极电压在最低点。该系统是软开关，因此有最低的EMI，而且由于漏极电压最小，开关损耗也最小。
　　迄今为止一个未被讨论的重要因素是功率因数校正(PFC），这在一些地区非常重要，因为当地的法律规定，功率超过75W的所有设备都要进行功率因数校正。从比较简单的无源解决方案到比较复杂但相对较好的有源解决方案，有几种方案可以使用。将来的技术改进也许会集中于此。将PFC和PWM SMPS控制器集成到单一器件的解决方案已经具备了技术和成本方面的优势。Fairchild的ML4803即是这样一个小的8引脚封装器件，在此之前，许多人都认为这是不可能的。
　　其实设计一离线SMPS并不象初看上去那样可怕，通过使用这些适合不同应用、不同功率范围的种类繁多的器件，以及相应的技术支持，设计这种离线SMPS已非常容易。