用PWM直流/直流控制器簡化開關(guān)電源設(shè)計(jì)

盡管 PWM 直流/直流開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)很簡單，但要用它做出實(shí)用的電源，還需要增加各種功能，如起動(dòng)偏壓、軟起動(dòng)、開關(guān)驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)壓、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。今天，一只小型直流/直流 PWM 控制器 IC 就可以實(shí)現(xiàn)上述的絕大多數(shù)功能。

　　但是，在電信和其它高電壓應(yīng)用（即，輸入電壓大于 15V）中經(jīng)常存在直流/直流轉(zhuǎn)換器的起動(dòng)問題。控制器的運(yùn)行需要一個(gè)偏置電壓，以產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)脈沖和其它所需信號(hào)。但在起動(dòng)時(shí)，唯一可用的只有輸入電壓，如果輸入電壓大于 15V，一般情況下不能用作偏置和柵極驅(qū)動(dòng)電壓。因此，需要將輸入電壓降至 15V 以下，才能使電源起動(dòng)。一旦電壓正常運(yùn)行，就可以用輸出電壓或者變壓器、電感繞組中的電壓，為 IC 提供偏置供電。

　　但是，大多數(shù)直流/直流控制器自身不帶起動(dòng)電路，電源設(shè)計(jì)人員要自己增加獨(dú)立的起動(dòng)電路和偏置電壓（圖1a）。這樣雖然使 PWM 控制器具有多功能性，可以用于更寬的輸入電壓范圍，但多出的起動(dòng)電路卻增加了復(fù)雜性和電源的體積。

　　美國國家半導(dǎo)體公司在自己的LM50xx系列8V ~ 100V PWM控制器（包括LM5020、LM5025、LM5030等）中集成了一個(gè)高電壓起動(dòng)電路（圖 1b），從而為設(shè)計(jì)者解決了這個(gè)問題。這一功能的實(shí)現(xiàn)是因?yàn)榭刂破鞯闹圃觳捎昧艘环N100V工藝。

　　這樣，高輸入電壓可以直接送至控制器的V_IN管腳，它是內(nèi)部線性穩(wěn)壓器的輸入。該穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)約 8V 的 V_CC 電壓，用于為控制器提供起動(dòng)電源。線性穩(wěn)壓器的 V_CC 電壓可以在外部從 VCC 腳得到，這樣做有幾個(gè)原因。

　　一個(gè)原因是 V_CC 管腳是線性穩(wěn)壓器中外接輸出電容的連接點(diǎn)，電容用于保持干凈的 V_CC 電源。

　　另一個(gè)原因是 V_CC 可以作為電路中其它低壓 IC 的電源，如運(yùn)放、邏輯器件和柵極驅(qū)動(dòng)器等。

　　V_CC管腳也可以用于降低控制器的內(nèi)部功耗，提高電源效率。LM50xx 控制器可以不定期地運(yùn)行在輸入電壓和內(nèi)部產(chǎn)生的V_CC電壓下（如圖2a中的反激轉(zhuǎn)換器）。但這會(huì)增加 IC 內(nèi)的功耗。功耗計(jì)算方法為：

　　　　　　　　　　　　P_D = ( V_IN - V_CC ) I_S

　　其中I_S為控制器的供電電流，為控制器靜態(tài)電流之和。I_G為與頻率有關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電流，這個(gè)MOSFET電流值以下式給出：

　　　　　　　　　　　　I_G = Q_GSf_S

　　其中，Q_GS 為 MOSFET 在柵極電壓為 V_CC 和 f_S開關(guān)頻率下的柵極總電荷。

　　控制器在高輸入電壓、高開關(guān)頻率下的 P_D 可以非常高，當(dāng) IC 驅(qū)動(dòng)一個(gè)大 MOSFET 管時(shí)，需要相當(dāng)大的柵極驅(qū)動(dòng)電流。LM50xx 控制器的設(shè)計(jì)可以避免這種功耗。在所有開關(guān)電源中，一旦電源開始運(yùn)行，就很容易從變壓器或電感繞組取得偏置電壓。在 LM50xx 控制器中，這個(gè)電壓（一旦獲得）可以直接加在 V_CC 管腳上，為 IC 提供電源，并且可以為系統(tǒng)中其它部件提供電源。在所有 LM50xx 系列控制器中，如果施加的這個(gè)電壓大于內(nèi)部穩(wěn)壓器的 8V 輸出，則穩(wěn)壓器關(guān)斷，消除了上述的功耗問題。在正確的偏置電源設(shè)計(jì)情況下，效率可以提高 1% 以上(圖 2b)。不過，在輸入電壓較低的小功率系統(tǒng)中，經(jīng)常省掉偏置電壓而從內(nèi)部線性穩(wěn)壓器獲得電源。這樣簡化了電源結(jié)構(gòu)，降低了成本，經(jīng)常用于輸出功率 30W 以下采用 LM50xx 控制器的設(shè)計(jì)。

　　如果輸入電壓在8~15V之間，則很容易為LM50xx控制器提供電源。V_IN和V_CC管腳可以簡單地一起接到輸入電壓上，然后直接為控制器供電（圖2c）。如果電壓超過 15V，兩個(gè)管腳就不能接到一起，輸入電壓必須高于 12V，控制器才能起動(dòng)。

　　總之，美國國家半導(dǎo)體有內(nèi)置起動(dòng)穩(wěn)壓器的高電壓 PWM 控制器能使設(shè)計(jì)者獲得很多好處，如降低電路復(fù)雜性、減小方案尺寸、降低元件成本和設(shè)計(jì)時(shí)間，并且增加電路的可靠性。