集成RCC式開關(guān)電源器件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

線性穩(wěn)壓電源因具有電路簡單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，一直在低功率應(yīng)用中倍受歡迎。這個(gè)線性穩(wěn)壓電源只需少量元件，且與開關(guān)電源SMPS(Switch Mode Power Supply)相比，更易于設(shè)計(jì)和制造。然而，由于以下兩個(gè)原因，近年來線性電源開始逐漸被替代：其一，許多線性電源都是作為PDA、無繩電話和手機(jī)等產(chǎn)品的外部電源(EPS)綁定銷售。如今EPS必須遵循嚴(yán)格的新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，而此類標(biāo)準(zhǔn)幾乎將線性電源排除在外，因?yàn)榫€性電源通常無法達(dá)到工作效率和空載功耗方面的標(biāo)準(zhǔn)；其二，大多數(shù)先進(jìn)的低功率SMPS在成本和簡單性方面與線性電源相當(dāng)。這里將探討低功率SMPS在初步應(yīng)用階段的不足之處，并討論一種可行的方法，以幫助設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出在成本效益方面符合EPS新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，并同時(shí)縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、簡化設(shè)計(jì)工作。
??? 自振反激型變換器。RCC(Ring Choke Converter)由于其電路拓?fù)浜啙?，輸出與輸入電壓電氣隔離且不需要輸出濾波電感，能高效提供多組直流輸出，電壓升降范圍寬等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于中小功率變換場合，也是容量一般低于50 W的電源經(jīng)常使用的變換器。被廣泛應(yīng)用于手機(jī)充電器以及筆記本適配器等設(shè)備。RCC采用和PWM型變換器相對的一種驅(qū)動(dòng)方式，開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷不需要專門的觸發(fā)電路，完全靠電路內(nèi)部來完成。這種變換器有它獨(dú)特的優(yōu)勢，即電路簡單，具有較高的性價(jià)比。但是RCC電路如果用分立元件構(gòu)成的話，典型電路元件數(shù)居然達(dá)到50多個(gè)，所以設(shè)計(jì)一種集成的RCC電源器件已成為一種趨勢。
??? 這里首先對電路原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行了電路模擬。其次，將該RCC器件應(yīng)用于充電器進(jìn)行了實(shí)際測試，與理論值相互印證，然后分析了器件測試結(jié)果和需要進(jìn)一步解決的問題。最后給出了結(jié)論。

1 RCC器件的應(yīng)用電路
??? 典型的RCC電路需要約50個(gè)分立元件，設(shè)計(jì)和調(diào)試非常困難，可靠性也不夠高。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一款RCC集成器件，圖l是其典型的應(yīng)用電路。從圖中可以看出，分立器件輸入側(cè)只有8個(gè)分立元件，輸出側(cè)有2個(gè)分立元件，如果將三極管13001、二極管VD2和電容C4封裝進(jìn)器件的話，分立元件將減少到7個(gè)，提高了集成度，將是最簡潔的RCC電路。該應(yīng)用電路的整流濾波電路由二極管VD5和電容C5構(gòu)成；轉(zhuǎn)換器采用雙繞組的反激變換器，功率管選用的型號為13001，啟動(dòng)電路由電阻R6、電容C6串聯(lián)構(gòu)成，反激式開關(guān)電源集成電路的引腳FB與轉(zhuǎn)換器中的次級線圈相接，引腳SW與功率管13001的發(fā)射極相接，功率管13001的集電極與主線圈相接，引腳VCC與電容C6的正極相接，引腳GND接地。

??? 85～220 V交流輸入先經(jīng)過VD5、C5，波形由交流轉(zhuǎn)化為紋波比較大的直流電壓，由于上電時(shí)電容C6的電壓為O V，所以引腳SW的輸出管為關(guān)斷狀態(tài)，電源通過電阻R6對電容C6充電，當(dāng)電容C6充電到反激式開關(guān)電源集成電路的啟動(dòng)電壓時(shí)，反激式開關(guān)電源集成電路開始正常工作，其內(nèi)部的振蕩器開始啟動(dòng)，SW輸出大占空比開關(guān)信號去控制輸出功率管13001，使得功率管13001也跟著開啟和關(guān)斷，當(dāng)功率管13001開啟時(shí)，功率管13001集電極的電壓為低電壓，這樣通過變壓器感應(yīng)到輸出和引腳FB的電壓均為負(fù)電壓，當(dāng)13001關(guān)斷時(shí)，由于電感的電流不能突變，所以功率管13001主線圈上會(huì)產(chǎn)生反沖電壓，變壓器的輸出線圈和輔助線圈會(huì)耦合出正電壓，這時(shí)輸出的整流二極管VD7導(dǎo)通，電容C6和
C8充電，功率管13001在一次開啟時(shí)，輸出線圈和輔助線圈上的耦合電壓為負(fù)電壓，電容C6和C8上的電壓可以維持反激式開關(guān)電源集成電路的工作電流和輸出負(fù)載的工作電流。如此循環(huán)，系統(tǒng)可以持續(xù)的工作下去；輸出端的電壓控制是由反激式開關(guān)電源集成電路內(nèi)部的過壓保護(hù)電壓控制，當(dāng)輸出負(fù)載減小時(shí)，VCC的電壓上升到過壓點(diǎn)，反激式開關(guān)電源集成電路內(nèi)部會(huì)將SW關(guān)斷，這時(shí)功率管13001不會(huì)導(dǎo)通，直到VCC電壓放電到過壓點(diǎn)以下，SW才會(huì)開啟，這樣反激式開關(guān)電源集成電路就會(huì)進(jìn)入間斷工作模式(幾個(gè)周期工作，幾個(gè)周期不工作)，工作頻率會(huì)降低。輸出電壓可以維持在一個(gè)恒定值。

2 RCC器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
??? 圖2是RCC內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。反激式開關(guān)電源集成電路包括振蕩器、小占空比產(chǎn)生電路、占空比選擇電路和消隱電路。振蕩器與小占空比產(chǎn)生電路相連接，振蕩器與小占空比產(chǎn)生電路分別與占空比選擇電路相連接，占空比選擇電路與消隱電路相連接，欠壓鎖定(UVLO)是整個(gè)反激式開關(guān)電源集成電路的啟動(dòng)電路，控制反激式開關(guān)電源集成電路的啟動(dòng)與關(guān)斷，保護(hù)電路與輸出驅(qū)動(dòng)管VMO連接，消隱電路也控制輸出驅(qū)動(dòng)管VMO，二極管VD8直接連接引腳FB和引腳VCC，與反激式開關(guān)電源集成電路外圍的電容(即圖l中的C6)構(gòu)成整流濾波電路。

2．1 器件工作過程
??? 當(dāng)電源電壓VCC上升到欠壓鎖定(UVL0)電路的開啟電壓時(shí)，電路開始工作，振蕩器、小占空比產(chǎn)生電路、占空比選擇電路、消隱電路啟動(dòng)，此時(shí)SW端口跳變，后備電源啟動(dòng)，對引腳FB充電，隨著引腳FB電壓的上升，當(dāng)超過VCC電壓時(shí)，二極管VD8導(dǎo)通，后備電源對VCC提供工作電流。振蕩器提供一個(gè)占空比為12％振蕩頻率為40 kHz方波，隨著VCC電壓繼續(xù)上升，當(dāng)上升到鉗位電路的箝位電壓點(diǎn)時(shí)，反激式開關(guān)電源集成電路會(huì)切換到小占空比(4％)狀態(tài)下工作，這時(shí)輸出電壓將會(huì)下降，但是不會(huì)馬上切換到大占空比狀態(tài)，直到VCC電壓低于過壓點(diǎn)時(shí)，才會(huì)回到大占空比狀態(tài)，這時(shí)工作頻率會(huì)上升，可以避免反激式開關(guān)電源集成電路的工作頻率低于20 kHz；當(dāng)反激式開關(guān)電源集成電路的輸出負(fù)
載增加時(shí)，電感反激時(shí)的能量不足以提供系統(tǒng)輸出的能量，VCC電壓會(huì)下降，當(dāng)電壓下降到反激式開關(guān)電源集成電路的欠壓點(diǎn)時(shí)，反激式開關(guān)電源集成電路將會(huì)全部關(guān)斷，等待重啟，這時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入打嗝模式。如果反激式開關(guān)電源集成電路的工作溫度過高時(shí)，反激式開關(guān)電源集成電路的過溫保護(hù)會(huì)將輸出SW關(guān)斷，這時(shí)VCC電壓會(huì)持續(xù)下降，一直下降到欠壓點(diǎn)電壓，反激式開關(guān)電源集成電路關(guān)斷，等待重啟，反激式開關(guān)電源集成電路也會(huì)進(jìn)入打嗝模式。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理
??? 根據(jù)圖l構(gòu)成的應(yīng)用電路，1個(gè)單節(jié)鋰電池充電器的測試數(shù)據(jù)如表l、表2所示。圖3為電流的瞬態(tài)特性圖。

??? 通過表1和表2的數(shù)據(jù)可知，該器件基本達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但仍存在以下問題：1)啟動(dòng)電流偏大；2)過壓電壓與啟動(dòng)電壓太接近；3)工作頻率偏小，需要通過后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論
??? 典型的RCC所包含的元件數(shù)是同等線性電源的5～10倍，雖然大部分元件都非常便宜，但由于絕對數(shù)量大，所以設(shè)計(jì)和制造成本較高。元件數(shù)目越多，PCB走線就越復(fù)雜，優(yōu)化布局所需的時(shí)間也越長，元件貼裝時(shí)發(fā)生誤差的可能性也越高。貼裝SMD元件還需要額外的制造步驟，這樣會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間和成本。RCC的性能取決于難以控制的寄生元件值與大量分立元件的組合公差之間的交互作用，在制造過程中需要持續(xù)監(jiān)控和調(diào)整，以使收益率保持在可接受的水平，所以必須設(shè)計(jì)一種RCC集成器件，才能有效提高RCC電路的優(yōu)點(diǎn)。
??? 本方案設(shè)計(jì)了器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括依次連接的整流濾波電路、轉(zhuǎn)換器和輸出電路，整流濾波電路與啟動(dòng)電路相連接。整流濾波電路、轉(zhuǎn)換器和啟動(dòng)電路分別與反激式開關(guān)電源集成電路相連接。器件進(jìn)行了仿真和實(shí)際測試。測試結(jié)果表明，雖然存在“啟動(dòng)電流偏大”等3個(gè)問題，但是該方案基本克服了分離式RCC方案的缺點(diǎn)，而且效率大于65％，是目前較為理想的RCC開關(guān)電源供電裝置之一。