初级侧控制IC设计可靠、高效的辅助电源

　　引言

　　纵观电源的发展历程，开关电源的复杂性一直是其进入相对小产量应用市场的绊脚石。不过，如今集成初级侧控制IC可大大简化电源设计。其中，Power Integrations推出的LinkSwitch-CV是新一代初级侧控制IC的一个典范。

　　采用LinkSwitch-CV的设计原理

　　LinkSwitch-CV完全省去了光耦器和所有次级侧反馈电路。它适用于需要严格稳压、功率范围为3W~15W的辅助电源，如需要直接向微控制器供电，而无需低效率的线性稳压器。图1所示为一个完整的采用LinkSwitch-CV的6W反激式电源，它仅使用了24个元件。该电源可以将90VAC~264VAC范围内的交流输入电压转换为5V、1.2?A的单路隔离直流输出，在不同的负载、输入电压和温度下的输出稳压容差为±5%。

　　

 

　　电路中的主要初级侧开关元件是集成在U1中的功率MOSFET。在使能状态下，U1中的控制逻辑在每个时钟周期开始时导通功率MOSFET。当电流达到限流点时，MOSFET会关断。控制器关断MOSFET后，变压器T1绕组间的电压开始反向，输出二极管D7被正向偏置，电流开始流入次级绕组，这样会补充输出电容C7和C8中的电荷，并将电流供应给负载。

　　U1通过开/关控制来调节输出，具体方法是根据反馈引脚FB上的采样电压使能或禁止开关周期。输出电压检测是由变压器T1上的初级参考绕组来执行的。T1偏置绕组上的磁通与次级主功率绕组中的磁通直接成正比，因此可提供负载的电压及电流信息。由R3和R4组成的电阻分压器将绕组电压馈入U1。R3和R4的比率确定输出电压设定点。这种控制方法可补偿电感变化、其他元件容差及输入电压变化。这种对变压器反馈的创新性使用，是实现低功耗和低成本电源目标的关键设计要素。

　　在高压开关关断2.5μs后，对FB引脚电压进行采样。如果检测电压高于1.86V阈值，会禁止随后的开关周期。相反，如果检测电压低于1.86V阈值，则会使能随后的开关周期。因此，通过调节使能与禁止周期的比率，可以使控制器维持输出稳压。开关控制可以使转换器的效率在整个负载范围内得到优化，并在极轻负载下维持效率恒定。该设计可实现在230VAC下空载功耗小于80mW，同时符合ENERGY STAR EPS v2.0带载效率要求(效率可达77%，要求为70%)。

　　此设计的性能优势

　　该电源可提供全面的短路输出及其他故障保护功能。LinkSwitch-CV内置的自动重启所产生的输出特征包络如图2所示。在检测到过流或短路故障时，U1将自动重启。在开始重新启动之前，功率MOSFET被禁止2.5s。如果故障仍然存在，自动重启将以大约8%的占空比交替使能和禁止功率MOSFET，直到故障排除为止。

　　

 

　　在导通周期的正激期间(开关导通时间)，如果检测到FB引脚电流降低到120μA以下，U1将会启动开环故障响应。自动重启时间从200ms降低到大约6个时钟周期(90μs)，同时使禁止周期维持在2.5s。这样可有效地将开环的自动重启占空比减小到0.01%以下。

　　此外，可熔防火式电阻RF1可提供进一步保护。这样可限制启动时产生的浪涌电流，提供严重故障保护。

　　在出现过热的情况下还可关断电路。当结温超过142℃(±5%)时，功率MOSFET开关被禁止，直到结温度下降至60℃，MOSFET才会重新使能。迟滞恢复功能可确保PCB的温度在所有条件下均处于安全范围内。

　　本电源设计省去了耗能的次级CV控制电路以及初级或次级电流检测电阻，从而有助于满足国际能效标准(CoC/中国(CECP)/EISA/DoE/欧盟委员会)。此外，T1次级绕组(引脚3~5)还具有经由D6及R5向U1供电的功能，因此使设计得到进一步简化。这是因为U1可自偏置和通过旁路引脚BP完全实现自供电，并对电容C4进行去耦。

　　本电源可轻松满足EN550022和CISPR-22 B级EMI标准，且将滤波器成本降至最低。其实现方法是：将集成的频率调制功能应用到功率MOSFET的开关频率中，以及采用革新的变压器E-Shield技术。频率调制是U1的集成功能。差模EMI滤波由RF1、C1、C2及L1提供，无需在初级到次级绝缘带上放置Y电容。初级钳位(D5、R1、R2及C3)将最大峰值漏极电压控制在U1内部MOSFET的700V BVDSS击穿电压之下。电阻R2可抑制高频漏感振荡，从而降低EMI。在变压器T1中，通过将开口绕组连接到端子1来提供屏蔽。为降低绕线匝数的成本，可完全无需使用外部屏蔽。

　　在工业应用中，电源通常是嵌入到设备中的。如果电源出现任何故障，都将导致昂贵的维修费用，此外，使用失效也会导致设备损坏。因此，可靠性成为首当关注的要素。采用初级侧控制技术可减少30%的元件数，这意味着所述电源的失效率(FIT)可降低22%(如表1所示)。另外，还必须有高效率的电路和元件相应的低温升，这样才有利于提高可靠性。

　　

 

　　结语

　　随着采用初级侧控制技术的先进开关IC的出现，设计过程已得到最大程度的简化，开关电源如今已成为小产量应用(通常为工业领域)的可行之选。