單片開關(guān)電源新技術(shù)概述

單片開關(guān)電源自20世紀(jì)90年代中期問世以來便顯示出強(qiáng)大的生命力，它作為一項(xiàng)頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前，單片開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄、節(jié)能、安全的方向發(fā)展。本文介紹國(guó)際上單片開關(guān)電源領(lǐng)域的幾項(xiàng)新技術(shù)。

“綠色節(jié)能”型單片開關(guān)電源
目前，國(guó)外許多著名的IC廠家都在大力開發(fā)低功耗、節(jié)能型單片開關(guān)電源集成電路，Philips的TEA1520系列即是一例。該公司還研制成功TEA1510系列以及TEA1501、TEA1504、TEA1566等型號(hào)的新產(chǎn)品。由于上述產(chǎn)品采用了先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和制作工藝，因此被譽(yù)為“綠色芯片”(Green Chip)，統(tǒng)稱為“STARplug”產(chǎn)品。TEA1520系列適用于電池充電器、電源適配器，或機(jī)頂盒、DVD、CD、CVCR(攝錄像機(jī))、電視／監(jiān)視器的備用電源，并可作為PC機(jī)外部設(shè)備、便攜式電子裝置及家用電器中微控制器(MCU)的電源。此外，它還被應(yīng)用到通信、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
 該系列產(chǎn)品采用Philips公司專有的高壓EZ-HV和低壓Bi-CMOS集成工藝，適合設(shè)計(jì)50W以下的小功率、小型化、低成本開關(guān)電源。這類開關(guān)電源可以做得很小，因其體積與插頭式電源適配器相仿，故被稱作“STARplug”，在英文中即“星形插頭”之意。其“綠色節(jié)能”特性突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在空載時(shí)的待機(jī)功耗極低，小于100mW；內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)“谷值開關(guān)”(Valley Switching)電路，能把功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)由漏極分布電容產(chǎn)生的開關(guān)損耗降至最低；在低功耗輸出時(shí)能自動(dòng)降低開關(guān)頻率，使芯片工作在低頻模式下，從而減小了芯片功耗。
下面介紹谷值開關(guān)的工作原理。
高頻變壓器一次繞組上的分布電容，反映到MOSFET的漏極引腳上，即為漏極分布電容CD。由CD和一次繞組電感LP構(gòu)成的LC諧振電路會(huì)形成振鈴電壓(ringing voltage)。振鈴電壓屬于衰減振蕩的干擾電壓，其振蕩頻率由下式確定：
fringing=    (1)
顯然，在MOSFET導(dǎo)通期間，由振鈴頻率所造成的功率損耗為：
PON=CDUD2fringing    (2)
為減小開關(guān)損耗，在芯片內(nèi)部專門增加了谷值開關(guān)電路。谷值開關(guān)信號(hào)(UV)與漏極電壓、振鈴電壓的波形如圖1所示。振鈴電壓(Uringing)就疊加在漏極電壓波形上。每當(dāng)振鈴電壓到達(dá)谷值時(shí)，谷值開關(guān)電路就產(chǎn)生一個(gè)谷值開關(guān)信號(hào)(正脈沖)，令MOSFET截止，起到了降低開關(guān)損耗的作用。圖1中，U2為二次繞組的電壓，A點(diǎn)代表用谷值開關(guān)信號(hào)來啟動(dòng)新的振蕩周期，B點(diǎn)代表按照傳統(tǒng)的PWM方式來啟動(dòng)新的振蕩周期。

圖1  谷值開關(guān)信號(hào)與漏極電壓、振鈴電壓的波形

圖2  頻率抖動(dòng)的波形

圖3  跳過周期前后噪聲電壓幅度的變化情況

圖4  退磁電路

頻率抖動(dòng)技術(shù)
PI的TinySwitch-II系列第二代增強(qiáng)型隔離式微型單片開關(guān)電源集成電路，適合制作23W以下的低成本微型化開關(guān)電源。該芯片采用了“頻率抖動(dòng)”(Frequency Jittering)技術(shù)，以降低由開關(guān)頻率高次諧波所造成的電磁干擾。將開關(guān)頻率限制在很窄的波段內(nèi)抖動(dòng)，由于開關(guān)頻率是在132kHz附近不斷變化的，它與132kHz固定頻率的高次諧波干擾之間沒有相關(guān)性，因此利用頻率抖動(dòng)信號(hào)能夠降低傳導(dǎo)噪聲。其開關(guān)頻率的抖動(dòng)范圍是128kHz~136kHz，抖動(dòng)量為±4kHz。頻率抖動(dòng)波形如圖2所示。利用此功能可顯著減小噪聲干擾，并且噪聲諧波次數(shù)愈高，抑制作用愈明顯。例如對(duì)5次諧波噪聲平均值的衰減量可達(dá)10dB以上。
安森美NCP1200型單片開關(guān)電源也采用了頻率抖動(dòng)技術(shù)。它與NCP1050系列、NCP1000系列一起，為辦公自動(dòng)化設(shè)備、消費(fèi)類及工業(yè)電子產(chǎn)品提供了一套簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

跳過周期
PI的TOPSwitch－FX系列五端單片開關(guān)電源集成電路采用了“跳過周期”等項(xiàng)新技術(shù)。如果開關(guān)電源的負(fù)載非常輕，以至于開關(guān)電源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的輸出功率，仍然超過負(fù)載上的功耗，TOPSwitch-FX就采用跳過周期的工作方式進(jìn)一步降低輸出功率，來提高輕載時(shí)電壓的穩(wěn)定性。此方式可等效為先將占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用PFM方式調(diào)節(jié)輕載時(shí)的UO值。根據(jù)負(fù)載變化情況，開關(guān)電源能在正常工作和跳過周期方式二者之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換，而無須其他控制。如不需要跳過周期，可在電源輸出端接上最小負(fù)載RLmin，使D＞Dmin=1.5%。
采用跳過周期模式不僅能獲得極低的輸出功率，還能減小噪聲電壓。跳過周期前后的噪聲電壓幅度變化情況如圖3所示。

退磁電路
Philips  TEA1520型單片開關(guān)電源除有過流保護(hù)、短路保護(hù)、輸入過壓保護(hù)和過熱保護(hù)功能之外，還增加了獨(dú)特的退磁保護(hù)電路，如圖4所示。NF代表高頻變壓器的反饋繞組。RAUX為輔助電阻，它能配合電路起到退磁作用。由VD1、VD2組成雙向限幅二極管，起過壓保護(hù)作用。對(duì)反激式開關(guān)電源而言，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，反饋繞組的同名端呈正電壓，電流通過RAUX流入AUX端，再流到比較器Ⅰ的同相輸入端，只要同相端電壓高于100mV，就不會(huì)啟動(dòng)一個(gè)新的振蕩周期。利用退磁電路可以檢測(cè)高頻變壓器上的剩磁，僅當(dāng)剩磁接近于零時(shí)，才允許TEA1520進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期。這樣即可避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。