抗干擾AC/DC開關(guān)電源芯片的研究與設(shè)計(jì)

杜 斌

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司軍工事業(yè)部發(fā)射室，廣西 桂林 541000）

1 引言

AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以其價(jià)格、效率、體積等優(yōu)勢(shì)在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電腦、顯示器、路由器、移動(dòng)設(shè)備都離不開AC/DC開關(guān)電源［1］。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，開關(guān)電源的功率、工作頻率等都大幅提升，但是由于電源中的電流和電壓不能突變，交替過程中會(huì)產(chǎn)生功率損耗。研究表明，此損耗與頻率成線性關(guān)系，因此電源工作頻率越高，損耗也就更大。

近年來，隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用年限長的電源芯片勢(shì)在必行［2］。從需求來看，電源發(fā)展趨于智能化、集成化、數(shù)字化、微型化、高頻化等方向［3］。本文基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時(shí)間差，提高安全性能。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10kV，性能穩(wěn)定。

2 AD/DC開關(guān)電源工作原理

AC/DC開關(guān)電源輸入信號(hào)為低頻交流電壓，輸出信號(hào)為直流電壓和電流，中間的轉(zhuǎn)換過程通過整流電路和濾波器完成。由于開關(guān)電源極易受到干擾，一般都是隔離放置。電路內(nèi)部還需要升壓裝置，故器件本身體積較大。

AD/DC 開關(guān)電源工作原理是［4］：交流信號(hào)首先經(jīng)過橋式整流器和PFC功率校正器，在經(jīng)過EMI濾波器變成類直流信號(hào)，隨后經(jīng)過升壓裝置進(jìn)行耦合傳輸，開關(guān)導(dǎo)管完成信號(hào)輸出。開關(guān)電源一次傳遞的能量由PFM控制開關(guān)的占空比確定，在輸出端完成整流后實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 AC/DC開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

上述系統(tǒng)一般通過光耦合將輸出的電壓信號(hào)反饋給電源芯片，圖1中的電壓信號(hào)以原邊反饋形式輸出。電源芯片負(fù)責(zé)求出參考電壓信號(hào)與反饋電源信號(hào)的誤差，并通過誤差放大器將其放大。此誤差為控制系統(tǒng)工作頻率和脈沖寬度的信號(hào)，直接決定占空比和傳遞能量的大小。

根據(jù)本文的相關(guān)要求，初步設(shè)置電流誤差不超過10%，電壓誤差不超過5%，輸出恒壓電壓的波動(dòng)值小于0.2V，電源轉(zhuǎn)換效率不低于70%，電磁干擾裕量設(shè)置為6dB，抗ESD能力達(dá)到8kV以上。選用PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器，芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 電源芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架

3 芯片重要模塊電路研究

芯片中至關(guān)重要的模塊就是帶隙基準(zhǔn)電壓源，其作為整個(gè)電路原始電壓參考值，影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能［5］。帶隙基準(zhǔn)電壓源電路穩(wěn)定后才能提供參考電壓Vref，此電路的電壓由VCC提供，變化范圍在9V－18V，工作環(huán)境欠佳。本文對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，將VCC的電壓降低到 6V，再通過高壓管給芯片帶隙基準(zhǔn)電壓源供電，這樣可以使電壓源較為穩(wěn)定。改進(jìn)之后，芯片核心電路不在需要高壓管，會(huì)節(jié)省其體積并降低制造成本。

低壓線性差穩(wěn)壓源可以給芯片內(nèi)部電路供電，并供給一些偏置裝置。一般情況下，低壓線性差穩(wěn)壓源的供電能力要不低于2mA，此為電路的滿載電流。電流過低，低壓線性差穩(wěn)壓源的電壓將會(huì)降低，導(dǎo)致電路無法工作。

誤差放大器可以提高輸出電壓精度，其系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 誤差放大器電路

傳統(tǒng)放大器的輸出電壓為：

式中：VH為誤差放大器的正端電位，V；Vref為誤差放大器的負(fù)端電位，V；gm為跨導(dǎo)，S；R0為上電阻，Ω；VDC是DC端的電位，V。

為了增大芯片的控制范圍，將輸出電壓的范圍設(shè)置為1V－5V，重載時(shí)的輸出電壓取1V，輕載時(shí)取5V。將其進(jìn)行折算，得到的輸出電壓偏差為：

式中：R1為下電阻，Ω；NS、Naux為電感，見圖 3。

說明傳統(tǒng)芯片輕載與滿載變化過程會(huì)出現(xiàn)0.2V的電壓差。為了克服這個(gè)問題，提出一種復(fù)合放大電路，其包含快、慢兩條增益電路。在負(fù)載迅速變化時(shí)，快速通路作用；當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定時(shí)，慢速通路作用。這樣兩個(gè)增益通路共同作用實(shí)現(xiàn)了電源芯片的高精度輸出，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)的誤差放大器電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的誤差放大器電路圖

4 芯片系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器芯片各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，最終得到的電源芯片含有5個(gè)pin腳，其典型應(yīng)用電路連接如圖5所示。

由圖5可以看出，整個(gè)芯片所需要的電量都是由電容C提供。OUT是輸出腳，可以控制開關(guān)管的連接與斷開。對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

為了滿足不同國家的需求，芯片系統(tǒng)電壓選擇了90V和264V兩種初始條件。從表1中的數(shù)據(jù)分析，線損補(bǔ)償大約為10%，基本接近設(shè)計(jì)目標(biāo)9%。整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)償過程為類似線性補(bǔ)償，最大波紋出現(xiàn)在電流為1050mA時(shí)，為160mV，小于200mV的設(shè)計(jì)值。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率約為74%，達(dá)到高效的要求。電源芯片抗干擾裕量為7.6dB，大于設(shè)計(jì)值6dB。氣隙放電模式的系統(tǒng)能抵抗10kV的ESD干擾。經(jīng)測(cè)試，本芯片系統(tǒng)滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5 電源芯片典型應(yīng)用電路連接

表1 芯片系統(tǒng)板端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用壽命長的電源芯片勢(shì)在必行。本文基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。討論了帶隙基準(zhǔn)電壓源、低壓線性差穩(wěn)壓源、誤差放大器等模塊。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時(shí)間差，提高了安全性能。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10kV，最大波紋為160mV，電源芯片抗干擾裕量為7.6dB，且性能穩(wěn)定。希望為今后AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)制造提供幫助。

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