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摘要：本文主介紹用SC2618同步降壓控微制芯片與AO4812雙場(chǎng)效應(yīng)功率集成管設(shè)計(jì)成新一代機(jī)頂盒、液晶電視(或高清晰度電視)用的低價(jià)簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)電源，并對(duì)SC2618芯片特征與簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)電源主要參數(shù)計(jì)算及PCB線路排版技術(shù)作一分析說(shuō)明。

 

關(guān)鍵詞：PWM控制器 比較器反饋 場(chǎng)效應(yīng)管 驅(qū)動(dòng)

  

1、   大輸出電流和低輸出電壓的低價(jià)高效率開(kāi)關(guān)電源迫走眼前

 

傳統(tǒng)電子消費(fèi)產(chǎn)品的AC-DC開(kāi)關(guān)電源，通常需要帶有多組輸出隔離變壓器并由一片原邊電源控制器控制輸出電壓和電流，但這類多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩(wěn)定的輸出電壓是通過(guò)線性穩(wěn)壓管來(lái)實(shí)現(xiàn)。從設(shè)計(jì)與制造及使用的角度來(lái)看，比較麻煩而且成本也較高。需指出的是，其線性穩(wěn)壓管只能應(yīng)用于高電壓和低電流，故此種電源在應(yīng)用上局限性很大，己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)新一代電子消費(fèi)產(chǎn)品的需要。

 

由于新一代電子消費(fèi)產(chǎn)品如機(jī)頂盒，液晶電視(或高清晰度電視)需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價(jià)高效率開(kāi)關(guān)電源，這樣就促使許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)需采用分散式電源模式，也就是說(shuō)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)更傾向于選擇在市場(chǎng)上很容易采購(gòu)到的AC-DC適配器并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。

 

特別要說(shuō)明的是，由于系統(tǒng)主芯片的電壓越來(lái)越低而電流越來(lái)越大，這樣就可以使越來(lái)越多的直流開(kāi)關(guān)電源能出現(xiàn)在系統(tǒng)板上的新型工裝技術(shù)。

 

而要提供一系列價(jià)格低廉，線路簡(jiǎn)單，性能齊全直流開(kāi)關(guān)電源，其關(guān)鍵在于是如何應(yīng)用低廉、簡(jiǎn)單，性能齊全的電源控制芯片。近年來(lái)Semtech International公司的低價(jià)簡(jiǎn)易同步式降壓控制芯片(SC2618)不失為一種好的選擇，因?yàn)橛迷摵?jiǎn)易同步式降壓控制芯片(SC2618)只需較少外圍元器件就能設(shè)計(jì)出低電壓高效率降壓電源。那如何設(shè)計(jì)與組成？這是設(shè)計(jì)人員要解決的問(wèn)題，也是本文闡述的主要內(nèi)容。

 

1、 同步式降壓控制芯片(SC2618)簡(jiǎn)介

 

SC2618芯片是滯后模式PWM控制器，可以用來(lái)設(shè)計(jì)高效率低成本開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)；該滯后模式PWM控制器允許使用陶瓷電容器，而且可以不需要補(bǔ)償電路和校準(zhǔn)；內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)的“打嗝”型短路保護(hù)可提供預(yù)防輸出短路以及相反輸入電壓序列。其同步式降壓控制芯片(SC2618)內(nèi)部組成框圖見(jiàn)圖1所示。圖1中DL為低場(chǎng)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)輸出；DH為高端場(chǎng)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)輸出；BST為供電時(shí)門驅(qū)動(dòng)電壓；FB為反饋；GND為模擬和功率地；Vcc為芯片電壓和低端FET驅(qū)動(dòng)電壓。

SC2618組成特點(diǎn)：工作頻率在500KHz以上；輸入電壓從5V-12V；具有0.5A門驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部微調(diào)頻帶間隙基準(zhǔn)(±1%)；具有“打嗝”型短路保護(hù)和輸入電壓序列保護(hù)；6腳SOT23封裝。為此SC2618能廣泛應(yīng)用于圖像電電源與嵌入式低成本高效率轉(zhuǎn)換器。

 

2、 用SC2618設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易同步降壓電源方案(Vin為5V/12V，Vout處1.8V/3.5A)

 

圖2為用同步式降壓控制芯片SC2618與雙場(chǎng)效應(yīng)功率管 AO4812集成塊設(shè)計(jì)組成的機(jī)頂盒和液晶電視及其它消費(fèi)電子產(chǎn)品所需的板上開(kāi)關(guān)直流電源線路圖。

2.1電源組成

 

此電源的輸入電壓Vin由交流變直流適配器提供，Vin大多數(shù)為12V/5V(也有少數(shù)會(huì)用24V)，輸出電壓是1.8V，輸出電流是3.5安培。由圖所示SC2618是一個(gè)六個(gè)管腳SOT-23小封裝芯片。它能接收4.5V至14V工作電壓并有一個(gè)1.25V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)(見(jiàn)圖1所示Vref=1.25V)。0.5安培的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)能使電源的輸出電流達(dá)到10安培。由于SC2618不需要反饋補(bǔ)償電路，故設(shè)計(jì)人員不需要在設(shè)計(jì)電源中花許多時(shí)間計(jì)算和測(cè)試難度較高的反饋補(bǔ)償電路。雙場(chǎng)效應(yīng)功率管IC2為AO4812，其參數(shù)見(jiàn)表1所示。


2.11電源的開(kāi)關(guān)頻率Fs計(jì)算

 

由圖2可看到，一組分壓電阻(R6，R8)會(huì)將輸出電壓Vout信息反饋給SC2618芯片的 FB端(為SC2618內(nèi)部比較器的負(fù)端-見(jiàn)圖1所示的比較器2的負(fù)端)。此比較器2的正端與1.25V電壓基準(zhǔn)相連接，其圖3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形圖。如果輸出電壓Vout低于所設(shè)定的數(shù)值，高端的場(chǎng)效應(yīng)管Q1將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓Vout回升到設(shè)定的數(shù)值以上。同樣的道理，如果輸出電壓Vout高于用戶所設(shè)定的數(shù)值，高端的場(chǎng)效應(yīng)管將被關(guān)斷而低端的場(chǎng)效應(yīng)管Q2將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓下降到設(shè)定的數(shù)值以下。這種芯片模式將會(huì)使一個(gè)降壓式電源工作在以下任何一種模式：

1) 高端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通1微秒；

2) 低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通1微秒；

3) 高/低端場(chǎng)效應(yīng)管各導(dǎo)通1微秒

由于SC2618內(nèi)置高/低端場(chǎng)效應(yīng)管最低導(dǎo)通時(shí)間是1微秒，電源的開(kāi)關(guān)頻率可由圖4推斷出。

 

2.111用圖4說(shuō)明該降壓式開(kāi)關(guān)電源關(guān)于開(kāi)關(guān)頻率Fs與占空比(D)之間的關(guān)系。

若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是1.8V，則電源的占空比(D)為0.15(1.8/12)。從圖4可看到占空比為0.15時(shí)開(kāi)關(guān)頻率Fs是150KHz；若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是5V，則電源的占空比(D)為0.42(5／12)那么該電源的占空比為0.42，開(kāi)關(guān)頻率Fs是420KHz。   

 

2.112 除此以外，電源開(kāi)關(guān)頻率Fs還可以通過(guò)以下二個(gè)簡(jiǎn)單公式來(lái)計(jì)算：

 

    *如果高端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間(tON)小于低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間(toFF)，占空比(D)小于0.5，那么開(kāi)關(guān)頻率為

Fs=D／1µs (Hz)        (1) 

 

*如果高端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間(tON )大于低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間(toFF)，占空比(D) 大于0.5，那么開(kāi)關(guān)頻率為

Fs =(1-D)／1µs (Hz)    (2)

 

2.12芯片 SC2618工作過(guò)程-開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)

 

芯片SC2618啟動(dòng)過(guò)程是這樣的：一旦輸入電壓Vin接到Vcc管腳，則高端(上端)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)引腳(DH)和低端(下端)場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)引腳(DL)一直到 Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護(hù)點(diǎn)(一般為4.5V)才會(huì)產(chǎn)生高信號(hào)。芯片SC2618內(nèi)部軟啟動(dòng)電流源開(kāi)始向內(nèi)部軟啟動(dòng)電容充電，這時(shí)高端場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)引腳(DH)是低信號(hào)而低端場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)引腳(DL)是高信號(hào)。當(dāng)芯片內(nèi)部軟啟動(dòng)電容電壓達(dá)到一定值以后，高端場(chǎng)效應(yīng)管和低端場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)始交錯(cuò)工作。電源輸出電壓Vout會(huì)開(kāi)始慢慢地升高。

 

SC2618內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間一般為100微秒。如果Vcc上的電壓在正常工作時(shí)突然跌入芯片輸入欠壓保護(hù)點(diǎn)(4.5V)以下，芯片內(nèi)部軟啟動(dòng)電容開(kāi)始放電。當(dāng)芯片內(nèi)部軟啟動(dòng)電容電壓跌到一定值以后，高低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間會(huì)慢慢地減小一直到完全關(guān)斷。

 

2.13關(guān)于輸出短路的保護(hù)

 

輸出短路保護(hù)是通過(guò)SC2618的反饋端電壓(VFB)和它的1.25V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的(見(jiàn)圖1下部所示)。在正常工作時(shí)如果反饋端電壓小于1.25V基準(zhǔn)電壓200mV，SC2618立刻關(guān)斷高端場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)內(nèi)部軟啟動(dòng)電容開(kāi)始放電.如果輸出短路是發(fā)生在軟啟動(dòng)過(guò)程中，必須等軟啟動(dòng)結(jié)束才能徹底關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)管并開(kāi)始軟啟動(dòng)電容放電。一旦軟啟動(dòng)電容放電結(jié)束，新的一輪軟啟動(dòng)又開(kāi)始。

 

整個(gè)保護(hù)過(guò)程為：當(dāng)SC2618反饋端電壓小于基準(zhǔn)電壓200mV→場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷→軟啟動(dòng)電容放電→軟啟動(dòng)電容充電→場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。

 

3、 SC2618在寬輸入電壓時(shí)的應(yīng)用線路

 

雖然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之間的輸入電壓，但是只要在芯片的外圍增加一個(gè)非常簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓管(一個(gè)小信號(hào)晶體管和一個(gè)齊納二極管)就可以很容易地將輸入電壓的范圍升到20V以上。同時(shí)可以利用一個(gè)外圍晶體管來(lái)關(guān)斷芯片。這種電路可用在許多需要24V輸入電壓工作的消費(fèi)類產(chǎn)品。

圖5是一個(gè)可以工作到24V輸入電壓的完整電路圖。輸入電壓可以是5V to 24V，輸出電壓是3.3V，輸出電流是3.5A。圖5中6.2V的齊納二極管將SC2618 Vcc電壓限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電壓也在5.5V�？梢酝ㄟ^(guò)晶體管Q3來(lái)關(guān)斷整個(gè)電源。

 

4、 關(guān)于功率場(chǎng)效應(yīng)管的選擇

 

由于本直流開(kāi)關(guān)電源是同步降壓轉(zhuǎn)換器，即有著高輸入電壓對(duì)低輸出電壓的特點(diǎn)，故高端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通的時(shí)間很短，低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通的時(shí)間很長(zhǎng)，但是低端場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)換電壓幾乎為零。在這樣的應(yīng)用中，柵極電容較小(內(nèi)阻較大)場(chǎng)效應(yīng)管適用于高端開(kāi)關(guān)，柵極電容較大(內(nèi)阻較小)場(chǎng)效應(yīng)管適用于低端開(kāi)關(guān)。在該例子中所用的場(chǎng)效應(yīng)管是通過(guò)它的內(nèi)阻(RDSON)、柵極電容／電荷和封裝熱阻 這3個(gè)參數(shù)來(lái)選擇的。利用SC2618 0.5A內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器(見(jiàn)圖1)，一個(gè)柵極電荷為25nC的場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)產(chǎn)生大約50ns的開(kāi)關(guān)升/降時(shí)間  (ts=25nC/0.5A)。ts 會(huì)在高端場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗(Ps)：

 

Ps=Iout·Vin·ts·fosc

 

    在圖2中，Ps是0.3W。由于在高端和低端場(chǎng)效應(yīng)管之間無(wú)重疊傳導(dǎo)，流過(guò)低端場(chǎng)效應(yīng)管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通之前導(dǎo)通。低端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電壓僅為一個(gè)在漏極和源極之間二極管的電壓。低端場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)損耗為零。高端和低端場(chǎng)效應(yīng)管在導(dǎo)通時(shí)的損耗可下式來(lái)計(jì)算：