電路保護集成技術降低電源成本

摘要：本文討論了在芯片上實現(xiàn)保護功能集成后可以去除的那些電路保護元件，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集成的功能包括：電力線路過壓關斷(line over-voltage shutdown)、開關電流敏感和限流、輸出過載及開環(huán)保護(op)、過熱關斷和參數化溫度補償與容差控制。 關鍵詞：電力線路過壓關斷、開關電流敏感和限流、輸出過載及開環(huán)保護、過熱關斷和參數化溫度補償與容差控制。

前言

為了保持競爭力，大多數制造商都設法降低其產品的成本，理想的做法是既降低成本，又保證產品的質量和可靠性。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元件。不過很多在電源中使用的電路保護措施并不明顯，因此其成本也很難簡單明了地估計出。

這些隱含的保護措施采用后，電源鏈和相關元件(如開關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)的參數選取必須留出一定的裕量。把外部的電路保護器件和暗藏的保護措施除去，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按照正常的輸出負載來選取。

電力線路過壓關斷

電力線路過壓關斷用于在線路出現(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)公司把過壓保護功能集成到了其多種離線式開關電源IC 產品上。當這些器件檢測到線路過壓情況，它們就會停止開關動作，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能抵受幅度高達其內部MOSFET最高額定值的線路浪涌，而無需MOV 保護。圖1 示出了一個使整流后的DC電壓限達到592V 峰值的浪涌情形。由于中止了開關動作，部件DRAIN 引腳上的電壓始終保持在700V以下。在供電質量很差的國家中，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MOV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，而過壓關斷功能相比之下則更有價值。

圖1 線路浪涌將使得PI器件中的過壓保護電路動作

開關電流敏感和限流大多數PWM 型IC對開關電流進行檢測，這樣，當流過開關的電流過大時，就可以終止開關循環(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PI的產品系列采用集成MOSFET 導通電阻來作為敏感電阻。這一措施連同內置的電流敏感比較器的前沿消隱(Leading Edge Blanking ，LEB)特性，使得設計者可以省去所有外接電流敏感和調節(jié)元件，帶來的成本降幅達0.04~0.10 美元。由于省去了敏感電阻并避免了相應的傳導損耗，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行濾波，從而能夠更快、更準確的中止開關循環(huán)。因此，在沒有增加成本的情況下，增強了對MOSFET的保護。 輸出過載和開環(huán)保護

大多數PWM IC 遇到負載異常情況時，通過讓驅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)。在這種結構中，若來自輸出的反饋或者輸出調節(jié)功能喪失，將會讓芯片進入自動重啟模式，此時負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或急速短路保護電路，節(jié)約的成本達0.05~0.20 美元。這還使得電源的輸出二極管和電容的參數只需根據正常的滿負載輸出功率來選取即可，從而進一步降低了成本。

圖2 帶有光電反饋的典型電路，可以對流入芯片的電流進行選通過熱保護

圖3 器件處于自動重啟模式時CONTROL和DRAIN引腳處的波形

電路集成了過熱保護功能后，就可以省去熱敏電阻及其相關電路，以及安裝所花的人工費用，初步產生的成本下降幅度即達到0.07~0.13 美元。由于開關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密的過熱保護。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，因而設計者就可以使用價格較為低廉的PCB 材料，這又進一步減少了0.05~0.15 美元的成本。 參數化的溫度補償和容差控制

一般說來，對元件參數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，如果放寬其參數的分布范圍，則要相應提高電源鏈器件的指標以補償這一放寬帶來的影響，其導致的成本提高，反而會抵消芯片價格的降低。例如，開關頻率的變化以及開關電流的極限跳變點(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、開關元件散熱器和鉗位電路的設計參數必須根據可能的過載功率來選取，而不是僅僅根據額定的總負載功率選取。如果這些元件參數根據滿負載要求來選取的話，成本的節(jié)約僅有0.10~0.25 美元。一個電源芯片必須根據其關鍵性能參數的容差和溫度補償情況來評價。

結語

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