用PWM直流控制器简化开关电源设计

发布者:luanzgc最新更新时间:2012-08-08 来源: 21ic 关键字:PWM  直流控制器  开关电源 手机看文章 扫描二维码
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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VIN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 VCC 电压,用于为控制器提供起动电源。线性稳压器的 VCC 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 VCC 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 VCC 电源。

  另一个原因是 VCC 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。[page]

  VCC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VCC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:

            PD = ( VIN - VCC ) IS

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

            IG = QGSfS

  其中,QGS 为 MOSFET 在栅极电压为 VCC 和 fS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 PD 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 VCC 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。VIN和VCC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。

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