LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6M07652RTC特

LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6M07652RTC特点及应用   摘要：FS6M07652RTC由SenseFET及其控制IC组成，专门为LCD监视器电源和适配器设计。叙述了FS6M07652RTC的特点、应用电路和设计考虑。 关键词：LCD监视器；开关电源功率开关；调整器 　 1  引言     FS6M07652RTC是美国Fairchild公司为LCD监视器回扫式SMPS而专门设计的一种功率开关调整器。同其它Fairchild功率开关（简称FPS）一样，FS6M07652RTC是将带电流感测功能的MOSFET（被称作SenseFET）及其控制IC内置于同一封装之内，属于二合一组合器件。快捷（即仙童）FPS是在韩国三星功率开关（SPS）的基础上发展起来的功率开关调节器系列器件。几年前，快捷收购了三星的半导体功率器件部之后，将SPS更名为FPS。与现存和先前的FPS系列器件比较，FS6M系列FPS在性能和可靠性方面都有较大改进和提高。FS6M07652RTC中的SenseFET额定电流/电压（限制值）是2A/650V，并可承受7A的连续漏极电流。 2  主要性能与特点     FS6M07652RTC采用空间节省的5脚TO-220F封装，如图1所示。 图1  封装及引脚排列     FS6M07652RTC内置SenseFET和控制IC，图2示出了其内部结构框图。 图2  FS6M07652RTC内部结构框图     FS6M07652RTC脚1（DRAIN）是SenseFET的漏极；脚2（GND）为接地端；脚3（Vcc）是电源电压施加端；脚4（Vfb）为反馈端；脚5（S/S）是软启动电容器连接端。     FS6M07652RTC的主要性能与特点如下：     1）内置耐压至少是650V的SenseFET和前沿消隐（LEB）电路，无需在外部连接电流感测电阻和RC低通滤波元件；     2）PWM控制器带70kHz的固定工作频率（无需在外部连接RT和CT定时元件），占空比可达80％；     3）控制IC的VCC启动门限电压为15V，启动电流低于170μA，欠电压锁定（UVLO）门限是9V，带6V的滞后；     4）为在显示电源管理信号传输（display Power Management Signalling，缩写为DPMS）状态下有一个低功率消耗，内置突发模式控制器，提供待机模式下的突发模式操作；     5）内置各种保护电路，其中包括：     ——33V的过电压保护（OVP）；     ——逐周电流限制、过电流闭锁保护（OCP）和过载保护（OLP）；     ——门限为160℃的热关闭保护（TSD）。     故障条件一旦解除，控制IC可以自动重新启动。     FS6M07652RTC带有最佳化的栅极驱动器和软启动功能，器件适用于宽范围的世界通用AC输入线路电压。 3  应用电路及变压器设计 3.1  应用电路及工作原理     FS6M07652RTC主要适用于LCD监视器电源和AC/DC适配器，用其作为功率开关调整器的LCD监视器回扫式SMPS电路如图3所示。 图3  由FS6M07652RTC组成的LCE监视器回扫SMPS电路     这种回扫式变换器的AC输入电压范围为85～265V，两路DC输出分别为12V/2A和3.3V/2A。5V、130mA的KA7805输出是为在突发模式下操作检验之用而设置的。     与整流滤波后的DC总线电压连接的电阻R102，为FS6M07652RTC（IC101）脚Vcc的启动元件。通过R102的电流对脚Vcc电容C108充电，当C108上的充电电压超过15V时，FPS内的SenseFET则开始开关。在FPS启动之后，变压器T1的辅助绕组（端5与端6）、D202、R104和C108等组成的电源电路为FPS内的IC提供足够的工作电流。FPS脚Vcc的OVP电压在30V以上（典型值为33V），Vcc电压可选择24V左右。当Vcc降至9V的UVLO关闭门限时，FPS内IC的工作电流从10mA降至100μA。     当一个负载或一只二极管发生短路时，将会在短时间内产生一个大电流流过FPS中的SenseFET，并被感测电阻（Rs）检测，OCL电路启动，履行过电流闭锁保护。     过载不同于负载短路，它是指负载电流远大于预设定的电平。在过载情况下，OLP电路将使FPS停止工作。     FPS利用电流型控制，最大开关电流在内部被限制，从而限制了在固定输入电压下的功率。如果电源DC输出电压低于设定值，在反馈环路上的IC201（KA431）将产生非常小的电流，IC301中光耦合晶体管中的电流几乎变为零，FPS脚Vfb内2μA的电流源（参考图2）将对外部电容C107（参见图3）充电。当脚Vfb上电压因C107充电达到7.5V时，FPS将关闭。在C107=47nF下，关闭延时约100ms。在常态下，Vfb约为0.2～3V。当Vfb=3～7V时，器件在最大占空比上工作。一旦Vfb达到7V，内部电路则关闭反馈电路。     在反馈环路上，Q201、D203、R206和R207、R208及SW201组成的反馈网络用作突发（burst）模式操作。在正常工作期间，Q201导通，R206从反馈网络被分离，3.3V的输出通过反馈网络传输到FPS的脚Vfb。当Q201关断时，R206连接到反馈网络，12V的输出也被反馈，从而使光耦晶体管饱和导通，FPS脚Vfb降为零，转换到突发模式。利用微控制器拉低脚Vfb，并没有使用附加的光耦合器。在突发状态下操作，输出电压降低，只消耗很小的功率。 3.2  变压器设计考虑     在SMPS设计与制作中，变压器是一个关键性元件。对于图3所示的LCD监视器回扫式SMPS电路，变压器（T1）参数的确定根据下面的设定条件：     1）AC输入电压（Vin）范围  85～265V（频率60Hz）；     2）输出功率Po=Po1＋Po2=2A×12V＋2A×3.3V=30.6W（按30W计）；     3）变换器效率η=70％。     对于变压器设计的详细步骤在这里不准备逐一介绍，只简要说明变压器设计思路及设计考虑。     在确定变压器初级峰值电流Ipk时，首先要确定最低DC输入电压（即输入电容Cin=C103上的电压）。当SMPS在恒定输出功率上操作时，最大峰值初级电流发生在最低DC电压上。图4示出了Cin充电和放电波形。 图4  滤波电容Cin(C103)上充/放电波形     当Cin在f=120Hz下充电和放电时，在Vmin处的纹波电压ΔV最大。Cin充电峰值电压     Vmin(pk)=×Vin(min)=×85V=120V。     若纹波电压（峰-峰值）按不小于线路电压的20％处理，可设ΔV=20V。于是，Cin放电谷底电压Vmin=Vmin(pk)－ΔV=120V－20V=100V。Cin放电时间td可按照式（1）计算：     td=×（1）     将已知数据代入式（1）可得：td=6.78ms。     Cin在放电期间输入能量Ein为：     Ein=Pin·td=(Po/η)×td=(30/0.7)×6.78×10－3=0.29J     根据Ein=·Cin·，可得：     Cin===132μF     132μF是非标准电容。在图3所示的应用电路中，Cin（C103）选用的是82μF的铝高压电解电容器。在此种情况下，Cin放电终止电压Vmin因纹波电压的增大不再是100V。假定Cin放电时的输入能量不变，根据Ein的计算公式得到的结果是：Vmin=86V。利用该结果计算Ipk时，余量较大。     最大峰值初级电流Ipk在Vmin和最大占空比Dmax下出现。由于电流控制型SMPS的Dmax应低于50％，若选取Dmax=0.45，可得：     Ipk===2.2A     初级方均根值电流Irms可以按式（2）计算：     Irms=Ipk·  （2）     将Ipk=2.2A和Dmax=0.45代入式（2）得到     Irms=0.85A。     在大多数关于变压器初级电感量Lp的计算中，初级电流都选用Ipk。在变换器初级电感传输到次级的功率保持不变时，确定Lp时可以使用Irms，从而使Lp的计算结果有较大余量。由于FPS的固定操作频率fs=70kHz，故Lp为：     Lp===0.65mH     在Ipk、Irms和Lp等参数确定之后，通常根据面积乘积公式Ap=Ae·AW≥（Lp·Ipk·Irms×104/420·K·Bmax）1.31等来确定磁芯的选取。针对本设计实例，通过简单的计算和经验，可选用EFD3030磁芯，其有效截面积Ae=1.07cm2，窗口面积（线圈骨架绕组面积）AW=2.23cm2，最大磁通密度Bmax=0.168T。     初级绕组匝数可由式（3）计算：     Np=    （3）     将Lp=0.65×10－3H、Ipk=2.2A、Bmax=0.168T和Ae=1.07cm2代入式（3），可得：Np=79.6匝。可选取Np=80匝。     在最大占空因数Dmax上的初、次级绕组匝数比n为：     n==    （4） 式中：Vd为次级整流二极管的压降（选取0.6V）；       Vo为次级DC输出电压。     设12V输出次边绕组匝数为NV1，3.3V输出绕组匝数NV2，FPS偏置绕组匝数为NVCC，根据式（4）可得：     NV1=Np×==13匝     同理可得：NV2=4匝，NVCC=24匝（Vcc按24V计）。     图5示出了变压器的结构，其主要参数如下： 图5  变压器结构示意图     磁芯与骨架：EFD3030；     绕组线径和匝数：     初级绕组Np（脚1→2，脚3→2）：φ0.3×1，80T(40T＋40T)，Lp=0.65mH，最大漏感为10μH；     NV1绕组（脚12→10）：φ0.3×2，13T；     NV2绕组（脚8→7）：φ0.3×4，4T；     Nvcc绕组（脚5→6）：φ0.2×2，24T     变压器绕组之间和外层用2层0.05mm厚的聚酯型薄膜隔离。