一種低價(jià)簡易電源的設(shè)計(jì)

隨著新一代機(jī)頂盒,高清晰度電視進(jìn)入普通家庭，此類產(chǎn)品的銷售價(jià)格將進(jìn)一步下降。如何降低此類產(chǎn)品成本是許多開發(fā)工程師重要的任務(wù)之一。介紹了一種簡易低價(jià)電源控制器(SC2618)。此電源控制器在5V，12V，和24V輸入的電子產(chǎn)品中有較好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PWM控制器SC2618；低價(jià)；設(shè)計(jì)

0 引言

AC/DC開關(guān)電源通常需要有多組輸出隔離并由一原邊電源控制器控制輸出電壓和電流。一般來講，這種多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩(wěn)定的輸出電壓可以通過線性穩(wěn)壓管達(dá)到。由于新一代電子產(chǎn)品需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價(jià)高效率開關(guān)電源，這就促使了分散式電源模式的采用。為了趕上電子產(chǎn)品飛快的更新節(jié)奏，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師更傾向于選擇在市場上很容易采購到的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。由于系統(tǒng)主芯片的電壓越來越低而電流越來越大，而傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓管只能應(yīng)用于高電壓和低電流，于是如何提供一系列價(jià)格低廉，線路簡單，性能齊全的直流開關(guān)電源控制芯片，便成了許多電源芯片廠家的主要任務(wù)之一。Semtech International已推出一款低價(jià)簡易同步式降壓控制芯片（SC2618）。本文介紹一個(gè)只需較少外圍元器件就可實(shí)現(xiàn)低電壓、高效率的降壓電源。

1 工作原理

圖1是一個(gè)經(jīng)常在機(jī)頂盒、液晶電視和其它電子產(chǎn)品上用到的板上直流電源線路圖。此類電源的輸入電壓由AC/DC適配器提供，大多數(shù)為12V或5V，少數(shù)為24V，輸出1.8V、3.5A。圖1所示SC2618是一6管腳SOT－23小封裝芯片，它能接收4.5～14V工作電壓并有一個(gè)1.25V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，0.5A的場效應(yīng)管驅(qū)動能使電源的輸出電流達(dá)到10A。SC2618不需要反饋補(bǔ)償電路。

圖1 SC2618簡易同步降壓電源（5V/12V輸入，1.8V/3.5A輸出）

1.1 開關(guān)頻率計(jì)算

由圖1可看到，一組分壓電阻（R6，R8）將輸出電壓信息反饋給SC2618內(nèi)部比較器的負(fù)端(SC2618FB)。此比較器的正端與1.25V電壓基準(zhǔn)相連接（見圖2）。如果輸出電壓低于用戶所設(shè)定的數(shù)值，高端的場效應(yīng)管將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓回升到設(shè)定的數(shù)值以上。同樣的道理，如果輸出電壓高于用戶所設(shè)定的數(shù)值，高端的場效應(yīng)管將被關(guān)斷而低端的場效應(yīng)管將被導(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。

圖2 SC2618內(nèi)部比較器電路

這種芯片模式將會使一個(gè)降壓式電源工作在以下任何一種模式：

1）上端場效應(yīng)管導(dǎo)通1μs；

2）下端場效應(yīng)管導(dǎo)通1μs；

3）上/下端場效應(yīng)管各導(dǎo)通1μs。

由于SC2618內(nèi)置上/下端場效應(yīng)管最低導(dǎo)通時(shí)間是1μs，電源的開關(guān)頻率可由圖3推斷出。

圖3 SC2618開關(guān)頻率與占空比關(guān)系圖

下面用一個(gè)降壓式電源例子來解釋圖3的應(yīng)用。假入電源輸入電壓是12V，輸出電壓是1.8V，此電源的占空比為0.15（1.8/12）。從圖3可看到占空比為0.15時(shí)開關(guān)頻率是150kHz。如果電源的輸入電壓是12V，輸出電壓是5V，那么該電源的占空比大約為0.42，開關(guān)頻率是420kHz。

如果上端場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間（ton）小于下端場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間（toff），占空比（D）小于0.5，那么開關(guān)頻率由式（1）表示。

fs=D/1μs（Hz）（1）

如果上端場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間（ton）大于下端場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間（toff），占空比（D）大于0.5，那么開關(guān)頻率由式（2）表示。

fs=(1－D)/1μs（Hz）（2）

1.2 啟動過程

SC2618的啟動過程是這樣的：一旦輸入電壓接到SC2618的腳Vcc，上端場效應(yīng)管驅(qū)動（DH）和下端場效應(yīng)管驅(qū)動（DL）還不產(chǎn)生信號，一直到Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護(hù)點(diǎn)（一般為4.5V）才會產(chǎn)生高信號。芯片內(nèi)部軟啟動電流源開始向內(nèi)部軟啟動電容充電，這時(shí)DH是低信號而和DL是高信號。當(dāng)芯片內(nèi)部軟啟動電容電壓達(dá)到一定值以后，上端場效應(yīng)管和下端場效應(yīng)管開始交錯工作。電源輸出電壓會開始慢慢地升高。SC2618內(nèi)部軟啟動時(shí)間一般為100μs。如果腳Vcc上的電壓在正常工作時(shí)突然跌到芯片輸入欠壓保護(hù)點(diǎn)以下，芯片內(nèi)部軟啟動電容開始放電。當(dāng)芯片內(nèi)部軟啟動電容電壓跌到一定值以后，上下端場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間會慢慢地減小一直到完全關(guān)斷。

1.3 輸出短路保護(hù)

輸出短路保護(hù)是通過比較SC2618反饋端電壓（VFB）和它的1.25V內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電壓。在正常工作時(shí)如果反饋端電壓小于基準(zhǔn)電壓200mV，SC2618立刻關(guān)斷上端場效應(yīng)管，同時(shí)內(nèi)部軟啟動電容開始放電。如果輸出短路是發(fā)生在軟啟動過程中，必須等軟啟動結(jié)束才能徹底關(guān)斷場效應(yīng)管并開始軟啟動電容放電。一旦軟啟動電容放電結(jié)束，新的一輪軟啟動又開始。整個(gè)保護(hù)過程是，SC2618反饋端電壓小于基準(zhǔn)電壓200mV齔⌒в管關(guān)斷→軟啟動電容放電→軟啟動電容充電→場效應(yīng)管導(dǎo)通。

2 電源元器件計(jì)算

由于SC2618不需要反饋補(bǔ)償電路，整個(gè)電源所需要設(shè)計(jì)的參數(shù)只包括，輸出電感、輸出電容、反饋分壓電阻、輸入電容、場效應(yīng)管。

2.1 輸出電感

輸出電感的選擇/設(shè)計(jì)基于輸出DC和瞬態(tài)的要求。大的電感可減小輸出紋波電流和電壓，但是在負(fù)載瞬變過程中響應(yīng)變慢。小的電感可得到低的直流銅損，但是交流磁芯損耗和交流繞線電阻損耗會變大。折衷的方法是選擇電感紋波電流峰—峰值為輸出額定電流的20％～30％。

假定電感紋波電流（峰—峰值）是負(fù)載直流電流的20％，那么輸出電感由式（3）計(jì)算。

L=（3）

以圖1為例，Vin=12V，VO=1.8V，IO=3.5A，fOSC=150kHz，則L=14.5μH?？蛇x用市場上很容易采購到的15μH/5A表面貼裝電感。

2.2 輸出電容

輸出電容按照輸出電壓紋波和負(fù)載動態(tài)變化要求來選擇。輸出電感產(chǎn)生的紋波電流在輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）上產(chǎn)生輸出電壓紋波（VRIPPLE）。為了滿足輸出電壓紋波要求，輸出電容的ESR必須滿足式（4）。

ESR（4）