新一代機頂盒與液晶電視用的低價簡易開關(guān)電源的設(shè)計
摘要：本文主介紹用SC2618同步降壓控微制芯片與AO4812雙場效應(yīng)功率集成管設(shè)計成新一代機頂盒、液晶電視(或高清晰度電視)用的低價簡易開關(guān)電源，并對SC2618芯片特征與簡易開關(guān)電源主要參數(shù)計算及PCB線路排版技術(shù)作一分析說明。
關(guān)鍵詞：PWM控制器 比較器反饋 場效應(yīng)管 驅(qū)動
1、 大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關(guān)電源迫走眼前
傳統(tǒng)電子消費產(chǎn)品的AC-DC開關(guān)電源，通常需要帶有多組輸出隔離變壓器并由一片原邊電源控制器控制輸出電壓和電流，但這類多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩(wěn)定的輸出電壓是通過線性穩(wěn)壓管來實現(xiàn)。從設(shè)計與制造及使用的角度來看，比較麻煩而且成本也較高。需指出的是，其線性穩(wěn)壓管只能應(yīng)用于高電壓和低電流，故此種電源在應(yīng)用上局限性很大，己遠遠不能適應(yīng)新一代電子消費產(chǎn)品的需要。
由于新一代電子消費產(chǎn)品如機頂盒，液晶電視(或高清晰度電視)需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關(guān)電源，這樣就促使許多產(chǎn)品設(shè)計需采用分散式電源模式，也就是說，產(chǎn)品設(shè)計更傾向于選擇在市場上很容易采購到的AC-DC適配器并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。
特別要說明的是，由于系統(tǒng)主芯片的電壓越來越低而電流越來越大，這樣就可以使越來越多的直流開關(guān)電源能出現(xiàn)在系統(tǒng)板上的新型工裝技術(shù)。
而要提供一系列價格低廉，線路簡單，性能齊全直流開關(guān)電源，其關(guān)鍵在于是如何應(yīng)用低廉、簡單，性能齊全的電源控制芯片。近年來Semtech International公司的低價簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)不失為一種好的選擇，因為用該簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)只需較少外圍元器件就能設(shè)計出低電壓高效率降壓電源。那如何設(shè)計與組成？這是設(shè)計人員要解決的問題，也是本文闡述的主要內(nèi)容。
1、 同步式降壓控制芯片(SC2618)簡介
SC2618芯片是滯后模式PWM控制器，可以用來設(shè)計高效率低成本開關(guān)電源的設(shè)計；該滯后模式PWM控制器允許使用陶瓷電容器，而且可以不需要補償電路和校準；內(nèi)部軟啟動時的“打嗝”型短路保護可提供預(yù)防輸出短路以及相反輸入電壓序列。其同步式降壓控制芯片(SC2618)內(nèi)部組成框圖見圖1所示。圖1中DL為低場效應(yīng)驅(qū)動輸出；DH為高端場效應(yīng)驅(qū)動輸出；BST為供電時門驅(qū)動電壓；FB為反饋；GND為模擬和功率地；Vcc為芯片電壓和低端FET驅(qū)動電壓。
SC2618組成特點：工作頻率在500KHz以上；輸入電壓從5V-12V；具有0.5A門驅(qū)動能力；內(nèi)部微調(diào)頻帶間隙基準(±1%)；具有“打嗝”型短路保護和輸入電壓序列保護；6腳SOT23封裝。為此SC2618能廣泛應(yīng)用于圖像電電源與嵌入式低成本高效率轉(zhuǎn)換器。
2、 用SC2618設(shè)計簡易同步降壓電源方案(Vin為5V/12V，Vout處1.8V/3.5A)
圖2為用同步式降壓控制芯片SC2618與雙場效應(yīng)功率管 AO4812集成塊設(shè)計組成的機頂盒和液晶電視及其它消費電子產(chǎn)品所需的板上開關(guān)直流電源線路圖。
2.1電源組成
此電源的輸入電壓Vin由交流變直流適配器提供，Vin大多數(shù)為12V/5V(也有少數(shù)會用24V)，輸出電壓是1.8V，輸出電流是3.5安培。由圖所示SC2618是一個六個管腳SOT-23小封裝芯片。它能接收4.5V至14V工作電壓并有一個1.25V內(nèi)部電壓基準(見圖1所示Vref=1.25V)。0.5安培的場效應(yīng)管驅(qū)動能使電源的輸出電流達到10安培。由于SC2618不需要反饋補償電路，故設(shè)計人員不需要在設(shè)計電源中花許多時間計算和測試難度較高的反饋補償電路。雙場效應(yīng)功率管IC2為AO4812，其參數(shù)見表1所示。
2.11電源的開關(guān)頻率Fs計算
由圖2可看到，一組分壓電阻(R6，R8)會將輸出電壓Vout信息反饋給SC2618芯片的 FB端(為SC2618內(nèi)部比較器的負端-見圖1所示的比較器2的負端)。此比較器2的正端與1.25V電壓基準相連接，其圖3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形圖。如果輸出電壓Vout低于所設(shè)定的數(shù)值，高端的場效應(yīng)管Q1將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓Vout回升到設(shè)定的數(shù)值以上。同樣的道理，如果輸出電壓Vout高于用戶所設(shè)定的數(shù)值，高端的場效應(yīng)管將被關(guān)斷而低端的場效應(yīng)管Q2將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓下降到設(shè)定的數(shù)值以下。這種芯片模式將會使一個降壓式電源工作在以下任何一種模式：
1) 高端場效應(yīng)管導(dǎo)通1微秒；
2) 低端場效應(yīng)管導(dǎo)通1微秒；
3) 高/低端場效應(yīng)管各導(dǎo)通1微秒
由于SC2618內(nèi)置高/低端場效應(yīng)管最低導(dǎo)通時間是1微秒，電源的開關(guān)頻率可由圖4推斷出。
2.111用圖4說明該降壓式開關(guān)電源關(guān)于開關(guān)頻率Fs與占空比(D)之間的關(guān)系。
若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是1.8V，則電源的占空比(D)為0.15(1.8/12)。從圖4可看到占空比為0.15時開關(guān)頻率Fs是150KHz；若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是5V，則電源的占空比(D)為0.42(5／12)那么該電源的占空比為0.42，開關(guān)頻率Fs是420KHz。
2.112 除此以外，電源開關(guān)頻率Fs還可以通過以下二個簡單公式來計算：
*如果高端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(tON)小于低端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(toFF)，占空比(D)小于0.5，那么開關(guān)頻率為
Fs=D／1µs (Hz) (1)
*如果高端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(tON )大于低端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(toFF)，占空比(D) 大于0.5，那么開關(guān)頻率為
Fs =(1-D)／1µs (Hz) (2)
2.12芯片 SC2618工作過程-開關(guān)電源的啟動
芯片SC2618啟動過程是這樣的：一旦輸入電壓Vin接到Vcc管腳，則高端(上端)場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DH)和低端(下端)場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DL)一直到 Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護點(一般為4.5V)才會產(chǎn)生高信號。芯片SC2618內(nèi)部軟啟動電流源開始向內(nèi)部軟啟動電容充電，這時高端場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DH)是低信號而低端場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DL)是高信號。當芯片內(nèi)部軟啟動電容電壓達到一定值以后，高端場效應(yīng)管和低端場效應(yīng)管開始交錯工作。電源輸出電壓Vout會開始慢慢地升高。
SC2618內(nèi)部軟啟動時間一般為100微秒。如果Vcc上的電壓在正常工作時突然跌入芯片輸入欠壓保護點(4.5V)以下，芯片內(nèi)部軟啟動電容開始放電。當芯片內(nèi)部軟啟動電容電壓跌到一定值以后，高低端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間會慢慢地減小一直到完全關(guān)斷。
2.13關(guān)于輸出短路的保護
輸出短路保護是通過SC2618的反饋端電壓(VFB)和它的1.25V內(nèi)部電壓基準電壓來實現(xiàn)的(見圖1下部所示)。在正常工作時如果反饋端電壓小于1.25V基準電壓200mV，SC2618立刻關(guān)斷高端場效應(yīng)管同時內(nèi)部軟啟動電容開始放電.如果輸出短路是發(fā)生在軟啟動過程中，必須等軟啟動結(jié)束才能徹底關(guān)斷場效應(yīng)管并開始軟啟動電容放電。一旦軟啟動電容放電結(jié)束，新的一輪軟啟動又開始。
整個保護過程為：當SC2618反饋端電壓小于基準電壓200mV→場效應(yīng)管關(guān)斷→軟啟動電容放電→軟啟動電容充電→場效應(yīng)管導(dǎo)通。
3、 SC2618在寬輸入電壓時的應(yīng)用線路
雖然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之間的輸入電壓，但是只要在芯片的外圍增加一個非常簡單的線性穩(wěn)壓管(一個小信號晶體管和一個齊納二極管)就可以很容易地將輸入電壓的范圍升到20V以上。同時可以利用一個外圍晶體管來關(guān)斷芯片。這種電路可用在許多需要24V輸入電壓工作的消費類產(chǎn)品。
圖5是一個可以工作到24V輸入電壓的完整電路圖。輸入電壓可以是5V to 24V，輸出電壓是3.3V，輸出電流是3.5A。圖5中6.2V的齊納二極管將SC2618 Vcc電壓限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端場效應(yīng)管的驅(qū)動電壓也在5.5V。可以通過晶體管Q3來關(guān)斷整個電源。
4、 關(guān)于功率場效應(yīng)管的選擇
由于本直流開關(guān)電源是同步降壓轉(zhuǎn)換器，即有著高輸入電壓對低輸出電壓的特點，故高端場效應(yīng)管導(dǎo)通的時間很短，低端場效應(yīng)管導(dǎo)通的時間很長，但是低端場效應(yīng)管轉(zhuǎn)換電壓幾乎為零。在這樣的應(yīng)用中，柵極電容較小(內(nèi)阻較大)場效應(yīng)管適用于高端開關(guān)，柵極電容較大(內(nèi)阻較小)場效應(yīng)管適用于低端開關(guān)。在該例子中所用的場效應(yīng)管是通過它的內(nèi)阻(RDSON)、柵極電容／電荷和封裝熱阻 這3個參數(shù)來選擇的。利用SC2618 0.5A內(nèi)置驅(qū)動器(見圖1)，一個柵極電荷為25nC的場效應(yīng)管會產(chǎn)生大約50ns的開關(guān)升/降時間 (ts=25nC/0.5A)。ts 會在高端場效應(yīng)管開關(guān)時產(chǎn)生開關(guān)損耗(Ps)：
Ps=Iout·Vin·ts·fosc
在圖2中，Ps是0.3W。由于在高端和低端場效應(yīng)管之間無重疊傳導(dǎo)，流過低端場效應(yīng)管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在低端場效應(yīng)管導(dǎo)通之前導(dǎo)通。低端場效應(yīng)管導(dǎo)通電壓僅為一個在漏極和源極之間二極管的電壓。低端場效應(yīng)管開關(guān)損耗為零。高端和低端場效應(yīng)管在導(dǎo)通時的損耗可下式來計算：
關(guān)鍵詞：PWM控制器 比較器反饋 場效應(yīng)管 驅(qū)動
1、 大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關(guān)電源迫走眼前
傳統(tǒng)電子消費產(chǎn)品的AC-DC開關(guān)電源，通常需要帶有多組輸出隔離變壓器并由一片原邊電源控制器控制輸出電壓和電流，但這類多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩(wěn)定的輸出電壓是通過線性穩(wěn)壓管來實現(xiàn)。從設(shè)計與制造及使用的角度來看，比較麻煩而且成本也較高。需指出的是，其線性穩(wěn)壓管只能應(yīng)用于高電壓和低電流，故此種電源在應(yīng)用上局限性很大，己遠遠不能適應(yīng)新一代電子消費產(chǎn)品的需要。
由于新一代電子消費產(chǎn)品如機頂盒，液晶電視(或高清晰度電視)需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關(guān)電源，這樣就促使許多產(chǎn)品設(shè)計需采用分散式電源模式，也就是說，產(chǎn)品設(shè)計更傾向于選擇在市場上很容易采購到的AC-DC適配器并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。
特別要說明的是，由于系統(tǒng)主芯片的電壓越來越低而電流越來越大，這樣就可以使越來越多的直流開關(guān)電源能出現(xiàn)在系統(tǒng)板上的新型工裝技術(shù)。
而要提供一系列價格低廉，線路簡單，性能齊全直流開關(guān)電源，其關(guān)鍵在于是如何應(yīng)用低廉、簡單，性能齊全的電源控制芯片。近年來Semtech International公司的低價簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)不失為一種好的選擇，因為用該簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)只需較少外圍元器件就能設(shè)計出低電壓高效率降壓電源。那如何設(shè)計與組成？這是設(shè)計人員要解決的問題，也是本文闡述的主要內(nèi)容。
1、 同步式降壓控制芯片(SC2618)簡介
SC2618芯片是滯后模式PWM控制器，可以用來設(shè)計高效率低成本開關(guān)電源的設(shè)計；該滯后模式PWM控制器允許使用陶瓷電容器，而且可以不需要補償電路和校準；內(nèi)部軟啟動時的“打嗝”型短路保護可提供預(yù)防輸出短路以及相反輸入電壓序列。其同步式降壓控制芯片(SC2618)內(nèi)部組成框圖見圖1所示。圖1中DL為低場效應(yīng)驅(qū)動輸出；DH為高端場效應(yīng)驅(qū)動輸出；BST為供電時門驅(qū)動電壓；FB為反饋；GND為模擬和功率地；Vcc為芯片電壓和低端FET驅(qū)動電壓。
SC2618組成特點：工作頻率在500KHz以上；輸入電壓從5V-12V；具有0.5A門驅(qū)動能力；內(nèi)部微調(diào)頻帶間隙基準(±1%)；具有“打嗝”型短路保護和輸入電壓序列保護；6腳SOT23封裝。為此SC2618能廣泛應(yīng)用于圖像電電源與嵌入式低成本高效率轉(zhuǎn)換器。
2、 用SC2618設(shè)計簡易同步降壓電源方案(Vin為5V/12V，Vout處1.8V/3.5A)
圖2為用同步式降壓控制芯片SC2618與雙場效應(yīng)功率管 AO4812集成塊設(shè)計組成的機頂盒和液晶電視及其它消費電子產(chǎn)品所需的板上開關(guān)直流電源線路圖。
2.1電源組成
此電源的輸入電壓Vin由交流變直流適配器提供，Vin大多數(shù)為12V/5V(也有少數(shù)會用24V)，輸出電壓是1.8V，輸出電流是3.5安培。由圖所示SC2618是一個六個管腳SOT-23小封裝芯片。它能接收4.5V至14V工作電壓并有一個1.25V內(nèi)部電壓基準(見圖1所示Vref=1.25V)。0.5安培的場效應(yīng)管驅(qū)動能使電源的輸出電流達到10安培。由于SC2618不需要反饋補償電路，故設(shè)計人員不需要在設(shè)計電源中花許多時間計算和測試難度較高的反饋補償電路。雙場效應(yīng)功率管IC2為AO4812，其參數(shù)見表1所示。
2.11電源的開關(guān)頻率Fs計算
由圖2可看到，一組分壓電阻(R6，R8)會將輸出電壓Vout信息反饋給SC2618芯片的 FB端(為SC2618內(nèi)部比較器的負端-見圖1所示的比較器2的負端)。此比較器2的正端與1.25V電壓基準相連接，其圖3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形圖。如果輸出電壓Vout低于所設(shè)定的數(shù)值，高端的場效應(yīng)管Q1將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓Vout回升到設(shè)定的數(shù)值以上。同樣的道理，如果輸出電壓Vout高于用戶所設(shè)定的數(shù)值，高端的場效應(yīng)管將被關(guān)斷而低端的場效應(yīng)管Q2將被導(dǎo)通并一直導(dǎo)通到輸出電壓下降到設(shè)定的數(shù)值以下。這種芯片模式將會使一個降壓式電源工作在以下任何一種模式：
1) 高端場效應(yīng)管導(dǎo)通1微秒；
2) 低端場效應(yīng)管導(dǎo)通1微秒；
3) 高/低端場效應(yīng)管各導(dǎo)通1微秒
由于SC2618內(nèi)置高/低端場效應(yīng)管最低導(dǎo)通時間是1微秒，電源的開關(guān)頻率可由圖4推斷出。
2.111用圖4說明該降壓式開關(guān)電源關(guān)于開關(guān)頻率Fs與占空比(D)之間的關(guān)系。
若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是1.8V，則電源的占空比(D)為0.15(1.8/12)。從圖4可看到占空比為0.15時開關(guān)頻率Fs是150KHz；若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是5V，則電源的占空比(D)為0.42(5／12)那么該電源的占空比為0.42，開關(guān)頻率Fs是420KHz。
2.112 除此以外，電源開關(guān)頻率Fs還可以通過以下二個簡單公式來計算：
*如果高端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(tON)小于低端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(toFF)，占空比(D)小于0.5，那么開關(guān)頻率為
Fs=D／1µs (Hz) (1)
*如果高端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(tON )大于低端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間(toFF)，占空比(D) 大于0.5，那么開關(guān)頻率為
Fs =(1-D)／1µs (Hz) (2)
2.12芯片 SC2618工作過程-開關(guān)電源的啟動
芯片SC2618啟動過程是這樣的：一旦輸入電壓Vin接到Vcc管腳，則高端(上端)場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DH)和低端(下端)場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DL)一直到 Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護點(一般為4.5V)才會產(chǎn)生高信號。芯片SC2618內(nèi)部軟啟動電流源開始向內(nèi)部軟啟動電容充電，這時高端場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DH)是低信號而低端場效應(yīng)管驅(qū)動引腳(DL)是高信號。當芯片內(nèi)部軟啟動電容電壓達到一定值以后，高端場效應(yīng)管和低端場效應(yīng)管開始交錯工作。電源輸出電壓Vout會開始慢慢地升高。
SC2618內(nèi)部軟啟動時間一般為100微秒。如果Vcc上的電壓在正常工作時突然跌入芯片輸入欠壓保護點(4.5V)以下，芯片內(nèi)部軟啟動電容開始放電。當芯片內(nèi)部軟啟動電容電壓跌到一定值以后，高低端場效應(yīng)管導(dǎo)通時間會慢慢地減小一直到完全關(guān)斷。
2.13關(guān)于輸出短路的保護
輸出短路保護是通過SC2618的反饋端電壓(VFB)和它的1.25V內(nèi)部電壓基準電壓來實現(xiàn)的(見圖1下部所示)。在正常工作時如果反饋端電壓小于1.25V基準電壓200mV，SC2618立刻關(guān)斷高端場效應(yīng)管同時內(nèi)部軟啟動電容開始放電.如果輸出短路是發(fā)生在軟啟動過程中，必須等軟啟動結(jié)束才能徹底關(guān)斷場效應(yīng)管并開始軟啟動電容放電。一旦軟啟動電容放電結(jié)束，新的一輪軟啟動又開始。
整個保護過程為：當SC2618反饋端電壓小于基準電壓200mV→場效應(yīng)管關(guān)斷→軟啟動電容放電→軟啟動電容充電→場效應(yīng)管導(dǎo)通。
3、 SC2618在寬輸入電壓時的應(yīng)用線路
雖然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之間的輸入電壓，但是只要在芯片的外圍增加一個非常簡單的線性穩(wěn)壓管(一個小信號晶體管和一個齊納二極管)就可以很容易地將輸入電壓的范圍升到20V以上。同時可以利用一個外圍晶體管來關(guān)斷芯片。這種電路可用在許多需要24V輸入電壓工作的消費類產(chǎn)品。
圖5是一個可以工作到24V輸入電壓的完整電路圖。輸入電壓可以是5V to 24V，輸出電壓是3.3V，輸出電流是3.5A。圖5中6.2V的齊納二極管將SC2618 Vcc電壓限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端場效應(yīng)管的驅(qū)動電壓也在5.5V。可以通過晶體管Q3來關(guān)斷整個電源。
4、 關(guān)于功率場效應(yīng)管的選擇
由于本直流開關(guān)電源是同步降壓轉(zhuǎn)換器，即有著高輸入電壓對低輸出電壓的特點，故高端場效應(yīng)管導(dǎo)通的時間很短，低端場效應(yīng)管導(dǎo)通的時間很長，但是低端場效應(yīng)管轉(zhuǎn)換電壓幾乎為零。在這樣的應(yīng)用中，柵極電容較小(內(nèi)阻較大)場效應(yīng)管適用于高端開關(guān)，柵極電容較大(內(nèi)阻較小)場效應(yīng)管適用于低端開關(guān)。在該例子中所用的場效應(yīng)管是通過它的內(nèi)阻(RDSON)、柵極電容／電荷和封裝熱阻 這3個參數(shù)來選擇的。利用SC2618 0.5A內(nèi)置驅(qū)動器(見圖1)，一個柵極電荷為25nC的場效應(yīng)管會產(chǎn)生大約50ns的開關(guān)升/降時間 (ts=25nC/0.5A)。ts 會在高端場效應(yīng)管開關(guān)時產(chǎn)生開關(guān)損耗(Ps)：
Ps=Iout·Vin·ts·fosc
在圖2中，Ps是0.3W。由于在高端和低端場效應(yīng)管之間無重疊傳導(dǎo)，流過低端場效應(yīng)管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在低端場效應(yīng)管導(dǎo)通之前導(dǎo)通。低端場效應(yīng)管導(dǎo)通電壓僅為一個在漏極和源極之間二極管的電壓。低端場效應(yīng)管開關(guān)損耗為零。高端和低端場效應(yīng)管在導(dǎo)通時的損耗可下式來計算：
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