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(多图) 满足安全环保需求的小功率集成的AC/DC转换器设计

2008年09月01日 ?? 收藏1

  北京威旺达电子推出基于Starplug的小功率AC/DC转换器放案。随着半导体技术的不断进步,为系统设计师、电路设计师实现技术创新提供了一个先进的技术平台,从而有许许多多新颖的、时尚的便携式电子产品呈现在世人面前,像PDA、3G手机、各种个人电子医疗保健装置以及层出不穷的游戏机等等。这些便携式电子产品大多需要高档的开关电源来供电或充电,此外,还有许多先进的便携式仪器仪表,工控装置乃至像剃须刀这样的日常用具也需要开关电源。正是在这种背景下,PHILIPS推出了STARplug电源IC产品系列。

  该系列不但满足了便携式电子产品微功耗、高可靠、微小型化等要求,还满足了使用安全性和环保的需求。

  关于STARplug产品系列

  STARplug有两个系列,即TEA152X系列和TEA162X系列(见表1)。TEA152X系列是早在2000年9月问世的,TEA162X系列则是对TEA152X系列的改进,并于2004年5月定型的,这两者在框图、电路结构、外引线排列及绝大多数电参数都是相同的。所不同的仅在芯片内部高压启动电流源上,TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值),TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。

STARplug产品系列

注:表1只列出双列直插式封装,表贴的未列出。

  STARplug采用多芯片结构。所有控制部分用BiCMOS工艺集成在一个芯片上,而功率部分则用EZ-HV工艺做在另一个芯片上,然后在同一个基片上优化组合而成。从制造工艺上看,飞利浦采用了先进的全氧化隔离工艺(或称介质隔离工艺),因此其有以下特点:

  1. 可免除锁定效应(锁定效应是CMOS电路特有的一种失效模式);

  2. 可以方便地在同一个芯片上实现模拟,数字和功率电路的集成;

  3. 芯片面积也比标准的PN结隔离要小;

  4. 漏电流极低,适于高温环境下工作;

  5. 寄生电容小,通过衬底产生的串扰和EMC的概率很小;

  6. 抵御外部电火花及反极性的能力强。

  这些都有利于支撑STARplug的高性能和高可靠性。

  从电路设计上看,一个重要的特点是提出了谷值转换的概念。

  一般说来,功率MOS管耗散的功率是开关电源自身功耗的主要来源。它与电源的可靠性,稳定性,效率都密切相关。功率MOS管的功耗通常由三部分组成:

  1. MOS管截止时的功耗,即VDS为高电平的功耗:这个功耗主要由漏极D和源极S之间的漏电流来决定,与芯片制造工艺有关,IDS(off)通常在微安量级,因此这部分功耗极低,一般可以忽略。

  2. MOS管导通时的功耗,即VDS为低电平时的功耗,这个功耗主要决定于漏极和源极之间的导通电阻RDS(on)。这与芯片设计的几何参数有关。

  3. MOS管动态功耗,即MOS管由截止向导通转换,或由导通向截止转换时的功耗。这个功耗可用下式计算:

公式

  飞利浦的电路设计师,分析了上述公式,认识到要降低开关电源的动态功耗,只能由降低转换时的VDS和负载下降时的f入手。通常VDS为380V左右,如果利用电路谐振将VDS于谷底(接近于0V)时,使MOS管由截止进入导通,则MOS管的动态功耗将下降几个数量级。为此,在电路设计上,加上了谷值检测电路,一旦电路谐振,能正确地测出“谷底”,并在VDS进入“谷底”之时,在栅极G和源极S之间输入经PWM后的脉冲上升沿。

  上个世纪90年代的PWM芯片,工作频率f大多为固定频率。为了降低功耗,特别是降低待机功率,STARplug采取了可调变频率的灵活电路设计。用户设定的频率为满载时的工作频率。当负载下降时,工作频率也相应下降。从而保证了待机功耗低于100mW。

  此外,STARplug系列芯片用高压电流源来启动,一旦IC进入正常工作状态,则高压电流源将自动切断,从而减少了电路的功耗。由此可知,电路的整个设计过程。都贯彻了一条减少功耗的思想,正是因为功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地减少了功耗,因此就能够将功率器件和控制电路集成在一个封装中,有效地减少了外围元件。另外为了使电路能可靠地工作,还提供了完善的保护功能,包括了逐个周期过流保护、欠压锁定、过压保护、过温保护、绕组短路保护、退磁保护。

  STARplug功能描述

  1. STARplug的结构

  图1是STARplug的内部电路框图。不难看出,图中包括功率MOS管和控制电路两大部分。功率MOS管主要用来实现功率的传输和转换。而控制电路则肩负三大任务:

  1. 实现所有保护功能的快速反应。

  2. 谷值电平的准确检测。

  3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

STARplug内部电路框图

图1:STARplug内部电路框图。


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