用PWM直流/直流控制器简化开关电源设计

    尽管 PWM 直流/直流开关电源转换器的结构很简单，但要用它做出实用的电源，还需要增加各种功能，如起动偏压、软起动、开关驱动、稳压、短路保护、过压保护、过热保护等。今天，一只小型直流/直流 PWM 控制器 IC 就可以实现上述的绝大多数功能。

　　但是，在电信和其它高电压应用（即，输入电压大于 15V）中经常存在直流/直流转换器的起动问题。控制器的运行需要一个偏置电压，以产生栅极驱动脉冲和其它所需信号。但在起动时，唯一可用的只有输入电压，如果输入电压大于 15V，一般情况下不能用作偏置和栅极驱动电压。因此，需要将输入电压降至 15V 以下，才能使电源起动。一旦电压正常运行，就可以用输出电压或者变压器、电感绕组中的电压，为 IC 提供偏置供电。

　　但是，大多数直流/直流控制器自身不带起动电路，电源设计人员要自己增加独立的起动电路和偏置电压（图1a）。这样虽然使 PWM 控制器具有多功能性，可以用于更宽的输入电压范围，但多出的起动电路却增加了复杂性和电源的体积。

　　美国国家半导体公司在自己的LM50xx系列8V ~ 100V PWM控制器（包括LM5020、LM5025、LM5030等）中集成了一个高电压起动电路（图 1b），从而为设计者解决了这个问题。这一功能的实现是因为控制器的制造采用了一种100V工艺。

　　这样，高输入电压可以直接送至控制器的V_IN管脚，它是内部线性稳压器的输入。该稳压器产生一个约 8V 的 V_CC 电压，用于为控制器提供起动电源。线性稳压器的 V_CC 电压可以在外部从 VCC 脚得到，这样做有几个原因。

　　一个原因是 V_CC 管脚是线性稳压器中外接输出电容的连接点，电容用于保持干净的 V_CC 电源。

　　另一个原因是 V_CC 可以作为电路中其它低压 IC 的电源，如运放、逻辑器件和栅极驱动器等。

　　V_CC管脚也可以用于降低控制器的内部功耗，提高电源效率。LM50xx 控制器可以不定期地运行在输入电压和内部产生的V_CC电压下（如图2a中的反激转换器）。但这会增加 IC 内的功耗。功耗计算方法为：

　　　　　　　　　　　　P_D = ( V_IN - V_CC ) I_S

　　其中I_S为控制器的供电电流，为控制器静态电流之和。I_G为与频率有关的栅极驱动电流，这个MOSFET电流值以下式给出：

　　　　　　　　　　　　I_G = Q_GSf_S

　　其中，Q_GS 为 MOSFET 在栅极电压为 V_CC 和 f_S开关频率下的栅极总电荷。

　　控制器在高输入电压、高开关频率下的 P_D 可以非常高，当 IC 驱动一个大 MOSFET 管时，需要相当大的栅极驱动电流。LM50xx 控制器的设计可以避免这种功耗。在所有开关电源中，一旦电源开始运行，就很容易从变压器或电感绕组取得偏置电压。在 LM50xx 控制器中，这个电压（一旦获得）可以直接加在 V_CC 管脚上，为 IC 提供电源，并且可以为系统中其它部件提供电源。在所有 LM50xx 系列控制器中，如果施加的这个电压大于内部稳压器的 8V 输出，则稳压器关断，消除了上述的功耗问题。在正确的偏置电源设计情况下，效率可以提高 1% 以上(图 2b)。不过，在输入电压较低的小功率系统中，经常省掉偏置电压而从内部线性稳压器获得电源。这样简化了电源结构，降低了成本，经常用于输出功率 30W 以下采用 LM50xx 控制器的设计。

　　如果输入电压在8~15V之间，则很容易为LM50xx控制器提供电源。V_IN和V_CC管脚可以简单地一起接到输入电压上，然后直接为控制器供电（图2c）。如果电压超过 15V，两个管脚就不能接到一起，输入电压必须高于 12V，控制器才能起动。

　　总之，美国国家半导体有内置起动稳压器的高电压 PWM 控制器能使设计者获得很多好处，如降低电路复杂性、减小方案尺寸、降低元件成本和设计时间，并且增加电路的可靠性。