單片開關(guān)電源新技術(shù)概述

單片開關(guān)電源自20世紀(jì)90年代中期問世以來便顯示出強(qiáng)大的生命力，它作為一項(xiàng)頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為開發(fā)中、小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。目前，單片開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄、節(jié)能、安全的方向發(fā)展。本文介紹國(guó)際上單片開關(guān)電源領(lǐng)域的幾項(xiàng)新技術(shù)。

“綠色節(jié)能”型單片開關(guān)電源
目前，國(guó)外許多著名的IC廠家都在大力開發(fā)低功耗、節(jié)能型單片開關(guān)電源集成電路，Philips的TEA1520系列即是一例。該公司還研制成功TEA1510系列以及TEA1501、TEA1504、TEA1566等型號(hào)的新產(chǎn)品。由于上述產(chǎn)品采用了先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和制作工藝，因此被譽(yù)為“綠色芯片”(Green Chip)，統(tǒng)稱為“STARplug”產(chǎn)品。TEA1520系列適用于電池充電器、電源適配器，或機(jī)頂盒、DVD、CD、CVCR(攝錄像機(jī))、電視／監(jiān)視器的備用電源，并可作為PC機(jī)外部設(shè)備、便攜式電子裝置及家用電器中微控制器(MCU)的電源。此外，它還被應(yīng)用到通信、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
 該系列產(chǎn)品采用Philips公司專有的高壓EZ-HV和低壓Bi-CMOS集成工藝，適合設(shè)計(jì)50W以下的小功率、小型化、低成本開關(guān)電源。這類開關(guān)電源可以做得很小，因其體積與插頭式電源適配器相仿，故被稱作“STARplug”，在英文中即“星形插頭”之意。其“綠色節(jié)能”特性突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在空載時(shí)的待機(jī)功耗極低，小于100mW；內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)“谷值開關(guān)”(Valley Switching)電路，能把功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)由漏極分布電容產(chǎn)生的開關(guān)損耗降至最低；在低功耗輸出時(shí)能自動(dòng)降低開關(guān)頻率，使芯片工作在低頻模式下，從而減小了芯片功耗。
下面介紹谷值開關(guān)的工作原理。
高頻變壓器一次繞組上的分布電容，反映到MOSFET的漏極引腳上，即為漏極分布電容CD。由CD和一次繞組電感LP構(gòu)成的LC諧振電路會(huì)形成振鈴電壓(ringing voltage)。振鈴電壓屬于衰減振蕩的干擾電壓，其振蕩頻率由下式確定：
fringing=    (1)
顯然，在MOSFET導(dǎo)通期間，由振鈴頻率所造成的功率損耗為：
PON=CDUD2fringing    (2)
為減小開關(guān)損耗，在芯片內(nèi)部專門增加了谷值開關(guān)電路。谷值開關(guān)信號(hào)(UV)與漏極電壓、振鈴電壓的波形如圖1所示。振鈴電壓(Uringing)就疊加在漏極電壓波形上。每當(dāng)振鈴電壓到達(dá)谷值時(shí)，谷值開關(guān)電路就產(chǎn)生一個(gè)谷值開關(guān)信號(hào)(正脈沖)，令MOSFET截止，起到了降低開關(guān)損耗的作用。圖1中，U2為二次繞組的電壓，A點(diǎn)代表用谷值開關(guān)信號(hào)來啟動(dòng)新的振蕩周期，B點(diǎn)代表按照傳統(tǒng)的PWM方式來啟動(dòng)新的振蕩周期。

圖1  谷值開關(guān)信號(hào)與漏極電壓、振鈴電壓的波形

圖2  頻率抖動(dòng)的波形

圖3  跳過周期前后噪聲電壓幅度的變化情況

圖4  退磁電路

頻率抖動(dòng)技術(shù)
PI的TinySwitch-II系列第二代增強(qiáng)型隔離式微型單片開關(guān)電源集成電路，適合制作23W以下的低成本微型化開關(guān)電源。該芯片采用了“頻率抖動(dòng)”(Frequency Jittering)技術(shù)，以降低由開關(guān)頻率高次諧波所造成的電磁干擾。將開關(guān)頻率限制在很窄的波段內(nèi)抖動(dòng)，由于開關(guān)頻率是在132kHz附近不斷變化的，它與132kHz固定頻率的高次諧波干擾之間沒有相關(guān)性，因此利用頻率抖動(dòng)信號(hào)能夠降低傳導(dǎo)噪聲。其開關(guān)頻率的抖動(dòng)范圍是128kHz~136kHz，抖動(dòng)量為