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标题: 单片开关电源新技术概述 [打印本页]

作者: yumuzi    时间: 2008-8-6 15:08     标题: 单片开关电源新技术概述

单片开关电源新技术概述
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单片开关电源新技术概述

作者:河北科技大学电子信息工程系 沙占友 武瑞红

单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力,它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品,引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点,现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。目前,单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展。本文介绍国际上单片开关电源领域的几项新技术。

“绿色节能”型单片开关电源
目前,国外许多著名的IC厂家都在大力开发低功耗、节能型单片开关电源集成电路,Philips的TEA1520系列即是一例。该公司还研制成功TEA1510系列以及TEA1501、TEA1504、TEA1566等型号的新产品。由于上述产品采用了先进的节能技术和制作工艺,因此被誉为“绿色芯片”(Green Chip),统称为“STARplug”产品。TEA1520系列适用于电池充电器、电源适配器,或机顶盒、DVD、CD、CVCR(摄录像机)、电视/监视器的备用电源,并可作为PC机外部设备、便携式电子装置及家用电器中微控制器(MCU)的电源。此外,它还被应用到通信、网络等领域。
该系列产品采用Philips公司专有的高压EZ-HV和低压Bi-CMOS集成工艺,适合设计50W以下的小功率、小型化、低成本开关电源。这类开关电源可以做得很小,因其体积与插头式电源适配器相仿,故被称作“STARplug”,在英文中即“星形插头”之意。其“绿色节能”特性突出表现在以下几个方面:在空载时的待机功耗极低,小于100mW;内部设计了一个“谷值开关”(Valley Switching)电路,能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关损耗降至最低;在低功耗输出时能自动降低开关频率,使芯片工作在低频模式下,从而减小了芯片功耗。
下面介绍谷值开关的工作原理。
高频变压器一次绕组上的分布电容,反映到MOSFET的漏极引脚上,即为漏极分布电容CD。由CD和一次绕组电感LP构成的LC谐振电路会形成振铃电压(ringing voltage)。振铃电压属于衰减振荡的干扰电压,其振荡频率由下式确定:
fringing= (1)
显然,在MOSFET导通期间,由振铃频率所造成的功率损耗为:
PON=CDUD2fringing (2)
为减小开关损耗,在芯片内部专门增加了谷值开关电路。谷值开关信号(UV)与漏极电压、振铃电压的波形如图1所示。振铃电压(Uringing)就叠加在漏极电压波形上。每当振铃电压到达谷值时,谷值开关电路就产生一个谷值开关信号(正脉冲),令MOSFET截止,起到了降低开关损耗的作用。图1中,U2为二次绕组的电压,A点代表用谷值开关信号来启动新的振荡周期,B点代表按照传统的PWM方式来启动新的振荡周期。

图1 谷值开关信号与漏极电压、振铃电压的波形

图2 频率抖动的波形

图3 跳过周期前后噪声电压幅度的变化情况

图4 退磁电路

频率抖动技术
PI的TinySwitch-II系列第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路,适合制作23W以下的低成本微型化开关电源。该芯片采用了“频率抖动”(Frequency Jittering)技术,以降低由开关频率高次谐波所造成的电磁干扰。将开关频率限制在很窄的波段内抖动,由于开关频率是在132kHz附近不断变化的,它与132kHz固定频率的高次谐波干扰之间没有相关性,因此利用频率抖动信号能够降低传导噪声。其开关频率的抖动范围是128kHz~136kHz,抖动量为?kHz。频率抖动波形如图2所示。利用此功能可显著减小噪声干扰,并且噪声谐波次数愈高,抑制作用愈明显。例如对5次谐波噪声平均值的衰减量可达10dB以上。
安森美NCP1200型单片开关电源也采用了频率抖动技术。它与NCP1050系列、NCP1000系列一起,为办公自动化设备、消费类及工业电子产品提供了一套简单而经济的电源系统设计方案。

跳过周期
PI的TOPSwitch-FX系列五端单片开关电源集成电路采用了“跳过周期”等项新技术。如果开关电源的负载非常轻,以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率,仍然超过负载上的功耗,TOPSwitch-FX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率,来提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%(或更低值)上,然后用PFM方式调节轻载时的UO值。根据负载变化情况,开关电源能在正常工作和跳过周期方式二者之间自动转换,而无须其他控制。如不需要跳过周期,可在电源输出端接上最小负载RLmin,使D>Dmin=1.5%。
采用跳过周期模式不仅能获得极低的输出功率,还能减小噪声电压。跳过周期前后的噪声电压幅度变化情况如图3所示。

退磁电路
Philips TEA1520型单片开关电源除有过流保护、短路保护、输入过压保护和过热保护功能之外,还增加了独特的退磁保护电路,如图4所示。NF代表高频变压器的反馈绕组。RAUX为辅助电阻,它能配合电路起到退磁作用。由VD1、VD2组成双向限幅二极管,起过压保护作用。对反激式开关电源而言,当MOSFET关断时,反馈绕组的同名端呈正电压,电流通过RAUX流入AUX端,再流到比较器Ⅰ的同相输入端,只要同相端电压高于100mV,就不会启动一个新的振荡周期。利用退磁电路可以检测高频变压器上的剩磁,仅当剩磁接近于零时,才允许TEA1520进入下一个振荡周期。这样即可避免出现磁饱和现象。


作者: yumuzi    时间: 2008-8-6 15:08

大家觉得这篇文章怎么样


作者: zcllom    时间: 2008-8-7 16:43

很好很强大
作者: zcllom    时间: 2008-8-7 17:14

只是这个帖子右边有一部分文字看不到,不知道是不是我机子的问题




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