一种低价简易电源的设计

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    随着新一代机顶盒,高清晰度电视进入普通家庭,此类产品的销售价格将进一步下降。如何降低此类产品成本是许多开发工程师重要的任务之一。介绍了一种简易低价电源控制器(SC2618)。此电源控制器在5V,12V,和24V输入的电子产品中有较好的应用。

关键词:PWM控制器SC2618;低价;设计

 0    引言

    AC/DC开关电源通常需要有多组输出隔离并由一原边电源控制器控制输出电压和电流。一般来讲,这种多组输出电源的输出电流都比较小,稳定的输出电压可以通过线性稳压管达到。由于新一代电子产品需要的是能提供大输出电流和低输出电压的低价高效率开关电源,这就促使了分散式电源模式的采用。为了赶上电子产品飞快的更新节奏,产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC/DC适配器,并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于系统主芯片的电压越来越低而电流越来越大,而传统的线性稳压管只能应用于高电压和低电流,于是如何提供一系列价格低廉,线路简单,性能齐全的直流开关电源控制芯片,便成了许多电源芯片厂家的主要任务之一。Semtech International已推出一款低价简易同步式降压控制芯片(SC2618)。本文介绍一个只需较少外围元器件就可实现低电压、高效率的降压电源。

1    工作原理

    图1是一个经常在机顶盒、液晶电视和其它电子产品上用到的板上直流电源线路图。此类电源的输入电压由AC/DC适配器提供,大多数为12V或5V,少数为24V,输出1.8V、3.5A。图1所示SC2618是一6管脚SOT-23小封装芯片,它能接收4.5~14V工作电压并有一个1.25V内部电压基准,0.5A的场效应管驱动能使电源的输出电流达到10A。SC2618不需要反馈补偿电路。

图1    SC2618简易同步降压电源(5V/12V输入,1.8V/3.5A输出)

1.1    开关频率计算

    由图1可看到,一组分压电阻(R6,R8)将输出电压信息反馈给SC2618内部比较器的负端(SC2618FB)。此比较器的正端与1.25V电压基准相连接(见图2)。如果输出电压低于用户所设定的数值,高端的场效应管将被导通并一直导通到输出电压回升到设定的数值以上。同样的道理,如果输出电压高于用户所设定的数值,高端的场效应管将被关断而低端的场效应管将被导通并一直导通到输出电压下降到设定的数值以下。

图2    SC2618内部比较器电路

    这种芯片模式将会使一个降压式电源工作在以下任何一种模式:

    1)上端场效应管导通1μs;

    2)下端场效应管导通1μs;

    3)上/下端场效应管各导通1μs。

    由于SC2618内置上/下端场效应管最低导通时间是1μs,电源的开关频率可由图3推断出。

图3    SC2618开关频率与占空比关系图

    下面用一个降压式电源例子来解释图3的应用。假入电源输入电压是12V,输出电压是1.8V,此电源的占空比为0.15(1.8/12)。从图3可看到占空比为0.15时开关频率是150kHz。如果电源的输入电压是12V,输出电压是5V,那么该电源的占空比大约为0.42,开关频率是420kHz。

    如果上端场效应管导通时间(ton)小于下端场效应管导通时间(toff),占空比(D)小于0.5,那么开关频率由式(1)表示。

    fs=D/1μs(Hz)(1)

    如果上端场效应管导通时间(ton)大于下端场效应管导通时间(toff),占空比(D)大于0.5,那么开关频率由式(2)表示。

    fs=(1-D)/1μs(Hz)(2)

1.2    启动过程

    SC2618的启动过程是这样的:一旦输入电压接到SC2618的脚Vcc,上端场效应管驱动(DH)和下端场效应管驱动(DL)还不产生信号,一直到Vcc超越SC2618的输入欠压保护点(一般为4.5V)才会产生高信号。芯片内部软启动电流源开始向内部软启动电容充电,这时DH是低信号而和DL是高信号。当芯片内部软启动电容电压达到一定值以后,上端场效应管和下端场效应管开始交错工作。电源输出电压会开始慢慢地升高。SC2618内部软启动时间一般为100μs。如果脚Vcc上的电压在正常工作时突然跌到芯片输入欠压保护点以下,芯片内部软启动电容开始放电。当芯片内部软启动电容电压跌到一定值以后,上下端场效应管导通时间会慢慢地减小一直到完全关断。

1.3    输出短路保护

    输出短路保护是通过比较SC2618反馈端电压(VFB)和它的1.25V内部电压基准电压。在正常工作时如果反馈端电压小于基准电压200mV,SC2618立刻关断上端场效应管,同时内部软启动电容开始放电。如果输出短路是发生在软启动过程中,必须等软启动结束才能彻底关断场效应管并开始软启动电容放电。一旦软启动电容放电结束,新的一轮软启动又开始。整个保护过程是,SC2618反馈端电压小于基准电压200mV场效应管关断→软启动电容放电→软启动电容充电→场效应管导通。

2    电源元器件计算

    由于SC2618不需要反馈补偿电路,整个电源所需要设计的参数只包括,输出电感、输出电容、反馈分压电阻、输入电容、场效应管。

2.1    输出电感

    输出电感的选择/设计基于输出DC和瞬态的要求。大的电感可减小输出纹波电流和电压,但是在负载瞬变过程中响应变慢。小的电感可得到低的直流铜损,但是交流磁芯损耗和交流绕线电阻损耗会变大。折衷的方法是选择电感纹波电流峰—峰值为输出额定电流的20%~30%。

    假定电感纹波电流(峰—峰值)是负载直流电流的20%,那么输出电感由式(3)计算。

    L=(3)

    以图1为例,Vin=12V,VO=1.8V,IO=3.5A,fOSC=150kHz,则L=14.5μH。可选用市场上很容易采购到的15μH/5A表面贴装电感。

2.2    输出电容

    输出电容按照输出电压纹波和负载动态变化要求来选择。输出电感产生的纹波电流在输出电容等效串联电阻(ESR)上产生输出电压纹波(VRIPPLE)。为了满足输出电压纹波要求,输出电容的ESR必须满足式(4)。

    ESR<(4)