新一代机顶盒与液晶电视用的低价简易开关电源的设计

摘要:本文主介绍用SC2618同步降压控微制芯片与AO4812双场效应功率集成管设计成新一代机顶盒、液晶电视(或高清晰度电视)用的低价简易开关电源,并对SC2618芯片特征与简易开关电源主要参数计算及PCB线路排版技术作一分析说明。

 

关键词:PWM控制器 比较器反馈 场效应管 驱动

  

1、   大输出电流和低输出电压的低价高效率开关电源迫走眼前

 

传统电子消费产品的AC-DC开关电源,通常需要带有多组输出隔离变压器并由一片原边电源控制器控制输出电压和电流,但这类多组输出电源的输出电流都比较小,稳定的输出电压是通过线性稳压管来实现。从设计与制造及使用的角度来看,比较麻烦而且成本也较高。需指出的是,其线性稳压管只能应用于高电压和低电流,故此种电源在应用上局限性很大,己远远不能适应新一代电子消费产品的需要。

 

由于新一代电子消费产品如机顶盒,液晶电视(或高清晰度电视)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,这样就促使许多产品设计需采用分散式电源模式,也就是说,产品设计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。

 

特别要说明的是,由于系统主芯片的电压越来越低而电流越来越大,这样就可以使越来越多的直流开关电源能出现在系统板上的新型工装技术。

 

而要提供一系列价格低廉,线路简单,性能齐全直流开关电源,其关键在于是如何应用低廉、简单,性能齐全的电源控制芯片。近年来Semtech International公司的低价简易同步式降压控制芯片(SC2618)不失为一种好的选择,因为用该简易同步式降压控制芯片(SC2618)只需较少外围元器件就能设计出低电压高效率降压电源。那如何设计与组成?这是设计人员要解决的问题,也是本文阐述的主要内容。

 

1、 同步式降压控制芯片(SC2618)简介

 

SC2618芯片是滞后模式PWM控制器,可以用来设计高效率低成本开关电源的设计;该滞后模式PWM控制器允许使用陶瓷电容器,而且可以不需要补偿电路和校准;内部软启动时的“打嗝”型短路保护可提供预防输出短路以及相反输入电压序列。其同步式降压控制芯片(SC2618)内部组成框图见图1所示。图1中DL为低场效应驱动输出;DH为高端场效应驱动输出;BST为供电时门驱动电压;FB为反馈;GND为模拟和功率地;Vcc为芯片电压和低端FET驱动电压。

SC2618组成特点:工作频率在500KHz以上;输入电压从5V-12V;具有0.5A门驱动能力;内部微调频带间隙基准(±1%);具有“打嗝”型短路保护和输入电压序列保护;6脚SOT23封装。为此SC2618能广泛应用于图像电电源与嵌入式低成本高效率转换器。

 

2、 用SC2618设计简易同步降压电源方案(Vin为5V/12V,Vout处1.8V/3.5A)

 

图2为用同步式降压控制芯片SC2618与双场效应功率管 AO4812集成块设计组成的机顶盒和液晶电视及其它消费电子产品所需的板上开关直流电源线路图。

2.1电源组成

 

此电源的输入电压Vin由交流变直流适配器提供,Vin大多数为12V/5V(也有少数会用24V),输出电压是1.8V,输出电流是3.5安培。由图所示SC2618是一个六个管脚SOT-23小封装芯片。它能接收4.5V至14V工作电压并有一个1.25V内部电压基准(见图1所示Vref=1.25V)。0.5安培的场效应管驱动能使电源的输出电流达到10安培。由于SC2618不需要反馈补偿电路,故设计人员不需要在设计电源中花许多时间计算和测试难度较高的反馈补偿电路。双场效应功率管IC2为AO4812,其参数见表1所示。


2.11电源的开关频率Fs计算

 

由图2可看到,一组分压电阻(R6,R8)会将输出电压Vout信息反馈给SC2618芯片的 FB端(为SC2618内部比较器的负端-见图1所示的比较器2的负端)。此比较器2的正端与1.25V电压基准相连接,其图3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形图。如果输出电压Vout低于所设定的数值,高端的场效应管Q1将被导通并一直导通到输出电压Vout回升到设定的数值以上。同样的道理,如果输出电压Vout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Q2将被导通并一直导通到输出电压下降到设定的数值以下。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) 高端场效应管导通1微秒;

2) 低端场效应管导通1微秒;

3) 高/低端场效应管各导通1微秒

由于SC2618内置高/低端场效应管最低导通时间是1微秒,电源的开关频率可由图4推断出。

 

2.111用图4说明该降压式开关电源关于开关频率Fs与占空比(D)之间的关系。

若电源输入电压Vin是12V,输出电压是1.8V,则电源的占空比(D)为0.15(1.8/12)。从图4可看到占空比为0.15时开关频率Fs是150KHz;若电源输入电压Vin是12V,输出电压是5V,则电源的占空比(D)为0.42(5/12)那么该电源的占空比为0.42,开关频率Fs是420KHz。   

 

2.112 除此以外,电源开关频率Fs还可以通过以下二个简单公式来计算:

 

    *如果高端场效应管导通时间(tON)小于低端场效应管导通时间(toFF),占空比(D)小于0.5,那么开关频率为

Fs=D/1µs (Hz)        (1) 

 

*如果高端场效应管导通时间(tON )大于低端场效应管导通时间(toFF),占空比(D) 大于0.5,那么开关频率为

Fs =(1-D)/1µs (Hz)    (2)

 

2.12芯片 SC2618工作过程-开关电源的启动

 

芯片SC2618启动过程是这样的:一旦输入电压Vin接到Vcc管脚,则高端(上端)场效应管驱动引脚(DH)和低端(下端)场效应管驱动引脚(DL)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SC2618内部软启动电流源开始向内部软启动电容充电,这时高端场效应管驱动引脚(DH)是低信号而低端场效应管驱动引脚(DL)是高信号。当芯片内部软启动电容电压达到一定值以后,高端场效应管和低端场效应管开始交错工作。电源输出电压Vout会开始慢慢地升高。

 

SC2618内部软启动时间一般为100微秒。如果Vcc上的电压在正常工作时突然跌入芯片输入欠压保护点(4.5V)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,高低端场效应管导通时间会慢慢地减小一直到完全关断。

 

2.13关于输出短路的保护

 

输出短路保护是通过SC2618的反馈端电压(VFB)和它的1.25V内部电压基准电压来实现的(见图1下部所示)。在正常工作时如果反馈端电压小于1.25V基准电压200mV,SC2618立刻关断高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。

 

整个保护过程为:当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。

 

3、 SC2618在宽输入电压时的应用线路

 

虽然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之间的输入电压,但是只要在芯片的外围增加一个非常简单的线性稳压管(一个小信号晶体管和一个齐纳二极管)就可以很容易地将输入电压的范围升到20V以上。同时可以利用一个外围晶体管来关断芯片。这种电路可用在许多需要24V输入电压工作的消费类产品。

图5是一个可以工作到24V输入电压的完整电路图。输入电压可以是5V to 24V,输出电压是3.3V,输出电流是3.5A。图5中6.2V的齐纳二极管将SC2618 Vcc电压限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端场效应管的驱动电压也在5.5V。可以通过晶体管Q3来关断整个电源。

 

4、 关于功率场效应管的选择

 

由于本直流开关电源是同步降压转换器,即有着高输入电压对低输出电压的特点,故高端场效应管导通的时间很短,低端场效应管导通的时间很长,但是低端场效应管转换电压几乎为零。在这样的应用中,栅极电容较小(内阻较大)场效应管适用于高端开关,栅极电容较大(内阻较小)场效应管适用于低端开关。在该例子中所用的场效应管是通过它的内阻(RDSON)、栅极电容/电荷和封装热阻 这3个参数来选择的。利用SC2618 0.5A内置驱动器(见图1),一个栅极电荷为25nC的场效应管会产生大约50ns的开关升/降时间  (ts=25nC/0.5A)。ts 会在高端场效应管开关时产生开关损耗(Ps):

 

Ps=Iout·Vin·ts·fosc

 

    在图2中,Ps是0.3W。由于在高端和低端场效应管之间无重叠传导,流过低端场效应管漏极和源极的寄生二极管或外部肖特基二极管总是在低端场效应管导通之前导通。低端场效应管导通电压仅为一个在漏极和源极之间二极管的电压。低端场效应管开关损耗为零。高端和低端场效应管在导通时的损耗可下式来计算:


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