電路保護(hù)集成技術(shù)降低電源成本

為了保持競爭力，大多數(shù)制造商都設(shè)法降低其產(chǎn)品的成本，理想的做法是既降低成本，又保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。為了在工作條件不正常時不致于失效，電源往往要采用昂貴的電路保護(hù)元件。不過很多在電源中使用的電路保護(hù)措施并不明顯，因此其成本也很難簡單明了地估計出。
這些隱含的保護(hù)措施采用后，電源鏈和相關(guān)元件(如開關(guān)器件及其散熱器和鉗位電路、變壓器芯尺寸和輸出整流器與電容)的參數(shù)選取必須留出一定的裕量。把外部的電路保護(hù)器件和暗藏的保護(hù)措施除去，可以顯著降低電源成本。但是，單純地刪除這些保護(hù)措施是不可行的，因為這樣做會損害可靠性、堅固性和/或供電安全性。然而，如果把電路保護(hù)功能集中到一個高度集成的電源變換IC上，就可以既安全地消除某些昂貴的外接分立元件，又能允許電源鏈元件的參數(shù)按照正常的輸出負(fù)載來選取。

討論范圍
本文討論了在芯片上實現(xiàn)保護(hù)功能集成后可以去除的那些電路保護(hù)元件，以及采取這種措施后可以帶來的成本下降。所有的節(jié)約成本都是按照大批量采購元件(>10萬個)的情況估計的，如果元件采購批量更小的話，則開銷的節(jié)約效果還會更明顯。在最新功率變換芯片中已經(jīng)集成的功能包括：電力線路過壓關(guān)斷(line over-voltage shutdown)、開關(guān)電流敏感和限流、輸出過載及開環(huán)保護(hù)(op)、過熱關(guān)斷和參數(shù)化溫度補(bǔ)償與容差控制。

電力線路過壓關(guān)斷
電力線路過壓關(guān)斷用于在線路出現(xiàn)浪涌時中止電源正常的工作，從而省去了MOV，可實現(xiàn)的成本降幅為0.04~0.12美元。例如， Power Integration (PI)公司把過壓保護(hù)功能集成到了其多種離線式開關(guān)電源IC產(chǎn)品上。當(dāng)這些器件檢測到線路過壓情況，它們就會停止開關(guān)動作，直到整流后的線路電壓回落到該功能的解除閾值之下時為止。這一做法使得IC能抵受幅度高達(dá)其內(nèi)部MOSFET最高額定值的線路浪涌，而無需MOV保護(hù)。圖1示出了一個使整流后的DC電壓限達(dá)到592V峰值的浪涌情形。由于中止了開關(guān)動作，部件DRAIN引腳上的電壓始終保持在700V以下。在供電質(zhì)量很差的國家中，常常會發(fā)生持續(xù)時間在100ms以上的電力線路浪涌，分立MOSFET所能提供的毫焦級的抗雪崩電流能力或者M(jìn)OV所具備的瞬態(tài)功耗承受能力，都不足以承受持續(xù)時間如此之長的浪涌，而過壓關(guān)斷功能相比之下則更有價值。

開關(guān)電流敏感和限流
大多數(shù)PWM型IC對開關(guān)電流進(jìn)行檢測，這樣，當(dāng)流過開關(guān)的電流過大時，就可以終止開關(guān)循環(huán)的執(zhí)行。該功能的實現(xiàn)一般需要外接電流敏感電阻和低通RC濾波器。大多數(shù)PI的產(chǎn)品系列采用集成MOSFET導(dǎo)通電阻來作為敏感電阻。這一措施連同內(nèi)置的電流敏感比較器的前沿消隱(Leading Edge Blanking ，LEB)特性，使得設(shè)計者可以省去所有外接電流敏感和調(diào)節(jié)元件，帶來的成本降幅達(dá)0.04~0.10美元。由于省去了敏感電阻并避免了相應(yīng)的傳導(dǎo)損耗，效率也得以提高。在可使用電流敏感變壓器的DC/DC變換器中，成本降幅達(dá)到了0.50美元。此外，采用LEB也使電路無需對電流敏感信號進(jìn)行濾波，從而能夠更快、更準(zhǔn)確的中止開關(guān)循環(huán)。因此，在沒有增加成本的情況下，增強(qiáng)了對MOSFET的保護(hù)。

輸出過載和開環(huán)保護(hù)
大多數(shù)PWM IC遇到負(fù)載異常情況時，通過讓驅(qū)動芯片的電壓下降到器件的欠壓閉鎖閾值之下，來中止通常的工作模式。PI的系列器件都根據(jù)從輸出引出的反饋來選通輸入芯片的電源電流(參見圖2)。在這種結(jié)構(gòu)中，若來自輸出的反饋或者輸出調(diào)節(jié)功能喪失，將會讓芯片進(jìn)入自動重啟模式，此時負(fù)載得到的只是滿輸出功率的一小部分(參見圖3)。這不僅大大提高了設(shè)計的承受能力，而且省去了起到輔助監(jiān)控作用的限流過載保護(hù)或急速短路保護(hù)電路，節(jié)約的成本達(dá)0.05~0.20美元。這還使得電源的輸出二極管和電容的參數(shù)只需根據(jù)正常的滿負(fù)載輸出功率來選取即可，從而進(jìn)一步降低了成本。

過熱保護(hù)
電路集成了過熱保護(hù)功能后，就可以省去熱敏電阻及其相關(guān)電路，以及安裝所花的人工費(fèi)用，初步產(chǎn)生的成本下降幅度即達(dá)到0.07~0.13美元。由于開關(guān)在電源中常常是溫度最高的元件，所以通過片式溫度敏感電路可對整個電源實行嚴(yán)密的過熱保護(hù)。此外，如果這項功能還具有一個很寬的熱滯后窗口的話，則還可以讓PCB板在發(fā)生故障時溫度保持在100℃以下，因而設(shè)計者就可以使用價格較為低廉的PCB材料，這又進(jìn)一步減少了0.05~0.15美元的成本。

參數(shù)化的溫度補(bǔ)償和容差控制
一般說來，對元件參數(shù)分布范圍的限制越松，其價格就越低。但是對于控制芯片來說，如果放寬其參數(shù)的分布范圍，則要相應(yīng)提高電源鏈器件的指標(biāo)以補(bǔ)償這一放寬帶來的影響，其導(dǎo)致的成本提高，反而會抵消芯片價格的降低。例如，開關(guān)頻率的變化以及開關(guān)電流的極限跳變點(trip point)決定了電源可以承受的過載功率值。這兩個參數(shù)的容差范圍越寬，電源能提供的過載功率就越大。輸出二極管、變壓器芯、開關(guān)元件散熱器和鉗位電路的設(shè)計參數(shù)必須根據(jù)可能的過載功率來選取，而不是僅僅根據(jù)額定的總負(fù)載功率選取。如果這些元件參數(shù)根據(jù)滿負(fù)載要求來選取的話，成本的節(jié)約僅有0.10~0.25美元。一個電源芯片必須根據(jù)其關(guān)鍵性能參數(shù)的容差和溫度補(bǔ)償情況來評價。

結(jié)語
基于一片高集成度的電源變換IC來設(shè)計一個電源，可以省去某些電路保護(hù)元件和隱含的保護(hù)措施，而且其原有的保護(hù)功能并沒有被削弱，同時，其BOM 成本還可降低0.35~0.95美元。■