开关电源设计与应用_第3章

第3章它激式开关电源3.1它激式开关电源3.2集成驱动器及其应用3.3STR系列集成变换电路3.4TOP系列集成电源3.5DC/DC变换电路3.1它激式开关电源3.1.1MC1394构成的开关电源用MC1394组成的开关电源是较具代表性的它激式电源，它可以适应90～260 V的输入电压的大范围变动，与简单的自激式开关电源相比具有极大的实用优势。1.内部构造MC1394内部构造如图3-1所示，它具有独立的脉冲发生器、PWM调制器逻辑关闭电路、软启动电路等它激式驱动电路的所有功能。这个电路的特点是既可以用于不隔离开关稳压电源，也可以用于隔离的脉冲变压器式开关稳压电源。图3-1MC1394内部结构图2.MC1394组成的降压开关电源图3-2MC1394组成的降压开关电源3.1.2UC3842控制的开关电源UC3842的特点是除内部PWM系统外，还设有多路保护输入和稳定的基准电压发生器，同时还具有小电流启动功能。它功能完善、性能可靠，目前被广泛应用于各种普通电源，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。1.UC3842内部构造UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路;UC3842内部由5 V基准电源、振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存、输出电路等组成。图3-3UC3842内部电路框图1.UC3842内部构造2．UC3842的使用特点(1)单端图腾柱式PWM脉冲输出，输出驱动电流为 ±200 mA，峰值可达 ±1 A(2)启动电压大于16 V、启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在10～34 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。(3)内设5 V(50 mA)基准电压源，经2∶1分压后作为取样基准电压。(4)输出电流为200 mA，峰值为1 A，既可驱动双极型三极管也可驱动MOSFET管。若驱动双极型三极管，应加入开关管截止加速RC电路，同时将内部振荡器的频率限制在40 kHz以下；若驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路设定，见式(3-1)，工作频率最高可达500 kHz。(3-1)TTTTC8.155.011CRCRTf(5)内设过流保护输入(3脚)和误差放大输入(1脚)两个PWM控制端。误差放大器输入构成主PWM控制系统，可使负载变动在30%～100% 时输出负载调整率在8% 以下，负载变动70%～100%时输出负载调整率在3% 以下。(6)过流检测输入端可对逐个脉冲进行控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电压调整率达到0.01%/V。如果3脚电压大于1 V或1脚电压小于1 V，PWM比较器输出高电平使锁存器复位，直到下一个脉冲到来时才重新置位。利用1脚和3脚的电平关系，在外电路控制锁存器的开/闭，使锁存器每个周期只输出一次触发脉冲。因此，电路的抗干扰性极强，开关管不会误触发，提高了可靠性。(7)内部振荡器的频率由4脚外接电阻和外接电容设定。集成电路内部基准电压通过4脚引入外同步。4脚和8脚外接RT、CT构成定时电路，CT的充电与放电过程构成一个振荡周期。其振荡频率可由下式近似得出：(3-1)TTTTC8.155.011CRCRTf3．在彩显开关电源中的应用AST彩显开关电源是以UC3842为主构成，由UC3842对开关管控制，电路简化后如图3-4所示。图3-4AST彩显开关电源电路3.1.3升压型开关电源图3-5所示为UC3842组成的升压型它激式开关电路。图3-5UC3842组成的升压型它激式开关稳压器电路3.1.4充电器专用控制电路MC7121．电路结构MC712内部主要包括定时器、电压斜率检测器(内含A/D转换器)、+5 V稳压器、上电复位电路、控制逻辑、电流和电压调节器(内含电流比较器和电压比较器)、温度比较器(过温比较器、欠温比较器)、2.0 V基准电压源、N沟道功率MOSFET。使用MC712设计的充电电路的充电时间短、效率高，克服了原有充电器功能单一、电流无法调整和充电时间长的缺点，有良好的使用效果。2．充电原理用MC712构成的锂电池充电电路如图3-6所示。图3-6锂电池充电电路3.1.5反激式开关电源反激式电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看做是一对相互耦合的电感。其工作过程是：开关开通后，VD处于断态，初级绕组的电流线性增长，电感储能增加；开关关断后，初级绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过次级绕组和VD向输出端释放。图3-7UC3842组成的反激式开关电源原理图3.2集成驱动器及其应用3.2.1半桥控制电路L6598L6598最高开关频率为500 kHz，其能效高、电磁干扰(EMI)辐射低。为了采用自举方法驱动上桥臂开关，内部电路设计了一个能够承受600 V以上电压的结构和一个同步驱动式器件，节省了一个外部快速恢复自举二极管。L6598是一种专门为串联谐振半桥电路设计的双输出控制器芯片，该芯片支持保护全面和高可靠性的电源设计，适用于液晶电视和等离子电视的电源、便携电脑和游戏机的高端适配器和电信设备开关电源。L6598为两个栅驱动器提供一个输出电流0.6 A和输入电流1.2 A的典型峰值电流处理能力，可以利用外部可编程振荡器设定工作频率。非线性软启动可防止涌流，最大限度地抑制输出电压过冲。该电路还有一个可控制的突发模式操作，能够大幅度降低在轻负载和无负载条件下的平均开关频率和相关损耗。L6598是将谐振电路和半桥驱动电路结合在一体的电源控制电路，可以取代以往由两个芯片组成的半桥结构，所以采用该电路设计的电源非常简单。1．内部电路(1)软启动与振荡器。L6598提供有软启动功能，软启动时间取决于1脚电容CS，振荡器频率由RT、CT决定。(2)自举驱动器。利用内部充电泵得到比芯片电源高得多的电压，为驱动外部功率管提供了良好的条件。(3)运算放大器。L6598内的运算放大器可提供低输出阻抗、宽带、高输入阻抗和宽共模范围，这些特点有利于实现保护或闭环控制，其输出可以连接到频率设定电阻端，以调节振荡器频率。(4)比较器。两个CMOS比较器可用来执行保护功能。L6598能够识别比较器输入端上的200 ns宽度的短脉冲。如果检测到封锁输入端出现0.6 V的门限电压脉冲，L6598即进入闭锁关断状态。此时振荡器停止振荡，两个驱动输出端均为低电平。一旦故障解除，器件将重新开始执行正常工作程序。9脚带有一个1.2 V的门限，一旦电压达到1.2 V，则比较器被触发而重新开始执行软启动程序。2．典型应用图3-8所示为L6598的典型应用电路。该电路的交流输入电压范围为85～270 V，适宜在交流供电不稳定的地区使用。图3-8L6598的典型应用电路1．L4970A的特点L4970A的特点是直接输出大电流，具有过流、过热、软启动等完备的保护功能。用它设计电源可靠性很高。其主要性能特点如下：(1)输出电流大，最大可达10 A，适宜制作200～500W的大功率开关电源。(2)开关频率高，可达400 kHz，一般选200 kHz，从而提高电源效率，减小滤波电感体积。(3)输入、输出压差低，可降到1.1 V左右，自身耗能低，电源效率高。在Ui=50 V，Uo=40 V，Io=10 A的条件下，电源效率可达90% 以上。3.2.4大电流电源(4)输入电压范围宽，正常值为15～50 V，极限值为11～55 V。输出电压控制灵活，可在5.1～40 V范围内连续调整。(5)除软启动、限流保护、过热保护等完善的保护电路外，还增加了欠压锁定、PWM锁存、掉电复位等电路。(6)误差放大器的开环增益大于60 dB，电源电压抑制比为PMRR = 80 dB，输入失调电压为2 mV。2．电路原理与工作过程L4970A内部原理框图如图3-13所示。图3-13L4970A内部原理框图3．开关频率的确定当开关频率f选定为100kHz时，要求定时电阻RT取16 kΩ，定时电容CT取4.7 μF。电路输出电压表达式为(3-3)式中：R2取4.7 kΩ；R1取20 Ω；电位器RP的取值视输出电压的大小和调整范围而定，最大不超过40 kΩ。开关频率100kHz时自举电容Cb为0.33 μF。储能电感L一般取40～150 μH。22P1o1.5)(RRRRU4．由4970A构成的10A输出电源图3-1410 A输出电源电路3.3STR系列集成变换电路STR-S67系列电路STR-S6708/6709为第一代它激式开关电源厚膜集成电路，其内部设有脉宽可控振荡器，振荡频率由内部RC电路设定。振荡器的脉宽由内部稳压器和芯片的7脚外接分压电路经内部电阻控制，芯片内部有脉冲放大器和开关管。STR-S6708适用于100 W以下的开关电源，而STR-S6709适用于100～150 W的开关电源。STR-S6708/6709的应用电路如图3-15所示。图3-15STR-S6708/6709的应用电路TOPSwitch系列集成电源图3-20为TOPSwitch系列封装结构。内部集成了振荡器、脉宽调制器、负载过电流保护、输入过电压/欠电压保护、US700 V的MOSFET管、芯片恒流供电电路等，具备了单端它激式开关电源的所有功能。TOP系列封装形式有TO-220的三端器件式和DIP-8的八脚双列式两种基本形式，其本质是一个三端器件。(a) TO-220(b) DIP-8图3-20TOP系列管脚形式3.4TOP系列集成电源TOPSwitch芯片内部结构如图3-21所示，内置MOSFET功率开关管。图3-21TOPSwitch芯片内部结构表3-1TOPSwitch主要参数工作频率100kHz自启动电压1.0V占空比2～67%MOSFET结温-40～150℃控制电压-0.3～8V漏极电压30～700V控制电流100mA欠压封锁门限4.7V截止电流500μA热保护温度145℃3.5DC/DC变换电路3.5.1升压式DC/DC变换电路LT1930是一种新型升压式DC/DC变换电路，可实现相对大功率的输出。输出电压可由设计者设定，最高可达34 V；输入电压范围宽，为16～26 V；内部开关管的最大电流可达1 A，其饱和管压降小，在1 A输出时为400 mV；在待机时耗电小于20 μA；输出功率大，在5 V输入、12 V输出时可输出300 mA电流，输出功率可达3.6 W。由于该器件有上述特点，因此适用于便携式电子产品，如无绳电话、电话后备电源、LCD显示器电路、医疗诊断仪器等。1．典型应用电路LT1930的典型应用电路如图3-25所示，设计输入电压为5 V，输出电压为12 V，其输出电压可由R1、R2的阻值设定，输出电压Uo与R1、R2的关系为(3-4)255.1121oRRU图3-25LT1930的典型应用电路3.5.2倍压式DC/DC变换电路1．倍压输出电路倍压输出是电源电路常用的一种功能。NJU7660是一种带RC振荡器的DC/DC变换器，具有电平移动和倍压功能，其典型应用电路最多只需外接两个电容、两个电阻和一个二极管。NJU7660采用CMOS结构，功耗非常低。几片NJU7660串联即可实现N倍、2N倍等电平转换。NJU7660的内部结构如图3-27所示。图3-27NJU7660的内部结构2．实用电路NJU7660可以用于电平反相转换以及倍压转换，具有2N倍压输出的应用电路如图3-28所示。采用该电路可在NJU7660的8脚得到2倍于输入电压的输出电压，其输入电压在3～10 V之间。在图3-28所示电路中，当开关S置于“1”时，输出电压Uo=(2N－1)Ui；当开关S置于“2”时，输出电压Uo=2NUi，N为串联NJU7660的个数。图3-282N倍正电压输出的应用电路