《電子技術應用》
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滿足安全環保需求的小功率集成的AC/DC轉換器設計
摘要: 北京威旺達電子推出基于Starplug的小功率AC/DC轉換器放案。隨著半導體技術的不斷進步,為系統設計師、電路設計師實現技術創新提供了一個先進的技術平臺,從而有許許多多新穎的、時尚的便攜式電子產品呈現在世人面前,像PDA、3G手機、各種個人電子醫療保健裝置以及層出不窮的游戲機等等。這些便攜式電子產品大多需要高檔的開關電源來供電或充電,此外,還有許多先進的便攜式儀器儀表,工控裝置乃至像剃須刀這樣的日常用具也需要開關電源。正是在這種背景下,PHILIPS推出了STARplug電源IC產品系列。
Abstract:
Key words :

        北京威旺達電子推出基于Starplug的小功率AC/DC轉換器放案。隨著半導體技術的不斷進步,為系統設計師、電路設計師實現技術創新提供了一個先進的技術平臺,從而有許許多多新穎的、時尚的便攜式電子產品呈現在世人面前,像PDA、3G手機、各種個人電子醫療保健裝置以及層出不窮的游戲機等等。這些便攜式電子產品大多需要高檔的開關電源來供電或充電,此外,還有許多先進的便攜式儀器儀表,工控裝置乃至像剃須刀這樣的日常用具也需要開關電源。正是在這種背景下,PHILIPS推出了STARplug電源IC產品系列。

       該系列不但滿足了便攜式電子產品微功耗、高可靠、微小型化等要求,還滿足了使用安全性和環保的需求。 

關于STARplug產品系列

       STARplug有兩個系列,即TEA152X系列和TEA162X系列(見表1)。TEA152X系列是早在2000年9月問世的,TEA162X系列則是對TEA152X系列的改進,并于2004年5月定型的,這兩者在框圖、電路結構、外引線排列及絕大多數電參數都是相同的。所不同的僅在芯片內部高壓啟動電流源上,TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值),TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。
 

         注:表1只列出雙列直插式封裝,表貼的未列出。

        STARplug采用多芯片結構。所有控制部分用BiCMOS工藝集成在一個芯片上,而功率部分則用EZ-HV工藝做在另一個芯片上,然后在同一個基片上優化組合而成。從制造工藝上看,飛利浦采用了先進的全氧化隔離工藝(或稱介質隔離工藝),因此其有以下特點:
1. 可免除鎖定效應(鎖定效應是CMOS電路特有的一種失效模式);
2. 可以方便地在同一個芯片上實現模擬,數字和功率電路的集成;
3. 芯片面積也比標準的PN結隔離要小;
4. 漏電流極低,適于高溫環境下工作;
5. 寄生電容小,通過襯底產生的串擾和EMC的概率很小;
6. 抵御外部電火花及反極性的能力強。

       這些都有利于支撐STARplug的高性能和高可靠性。

       從電路設計上看,一個重要的特點是提出了谷值轉換的概念。

       一般說來,功率MOS管耗散的功率是開關電源自身功耗的主要來源。它與電源的可靠性,穩定性,效率都密切相關。功率MOS管的功耗通常由三部分組成:

1. MOS管截止時的功耗,即VDS為高電平的功耗:這個功耗主要由漏極D和源極S之間的漏電流來決定,與芯片制造工藝有關,IDS(off)通常在微安量級,因此這部分功耗極低,一般可以忽略。
2. MOS管導通時的功耗,即VDS為低電平時的功耗,這個功耗主要決定于漏極和源極之間的導通電阻RDS(on)。這與芯片設計的幾何參數有關。
3. MOS管動態功耗,即MOS管由截止向導通轉換,或由導通向截止轉換時的功耗。這個功耗可用下式計算:
 

        飛利浦的電路設計師,分析了上述公式,認識到要降低開關電源的動態功耗,只能由降低轉換時的VDS和負載下降時的f入手。通常VDS為380V左右,如果利用電路諧振將VDS于谷底(接近于0V)時,使MOS管由截止進入導通,則MOS管的動態功耗將下降幾個數量級。為此,在電路設計上,加上了谷值檢測電路,一旦電路諧振,能正確地測出“谷底”,并在VDS進入“谷底”之時,在柵極G和源極S之間輸入經PWM后的脈沖上升沿。

        上個世紀90年代的PWM芯片,工作頻率f大多為固定頻率。為了降低功耗,特別是降低待機功率,STARplug采取了可調變頻率的靈活電路設計。用戶設定的頻率為滿載時的工作頻率。當負載下降時,工作頻率也相應下降。從而保證了待機功耗低于100mW。

        此外,STARplug系列芯片用高壓電流源來啟動,一旦IC進入正常工作狀態,則高壓電流源將自動切斷,從而減少了電路的功耗。由此可知,電路的整個設計過程。都貫徹了一條減少功耗的思想,正是因為功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地減少了功耗,因此就能夠將功率器件和控制電路集成在一個封裝中,有效地減少了外圍元件。另外為了使電路能可靠地工作,還提供了完善的保護功能,包括了逐個周期過流保護、欠壓鎖定、過壓保護、過溫保護、繞組短路保護、退磁保護。

STARplug功能描述

1. STARplug的結構

        圖1是STARplug的內部電路框圖。不難看出,圖中包括功率MOS管和控制電路兩大部分。功率MOS管主要用來實現功率的傳輸和轉換。而控制電路則肩負三大任務:
        1. 實現所有保護功能的快速反應。
        2. 谷值電平的準確檢測。
        3. 工作周期的控制(即PWM功能)。
 

 

圖1:STARplug內部電路框圖。

 

        STARplug是基于不連續方式(DCM)反激式拓撲設計的。有兩種反饋方式:

        1.變壓器輔助繞組反饋,(此繞組同時用作IC的供電)(見圖2)。
 

         2.變壓器次級繞組經光耦反饋(見圖3)。
 

 

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