淺談抗干擾AC/DC開關(guān)電源芯片研究與設(shè)計

【摘要】近些年來，隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用年限長的電源芯片成為熱點(diǎn)。AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器源以其價格、效率、體積等優(yōu)勢在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，發(fā)現(xiàn)誤差放大器對整個電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。并提出智能抗尖峰電路，減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時間差，使安全性能提高。最后對本芯片進(jìn)行試驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)抗ESD能力達(dá)到10kV，芯片性能穩(wěn)定。希望對今后電源芯片設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】抗干擾;電源芯片;智能;誤差放大

Abstract：In recent years，with the rapid development of new energy technology，develop a high efficiency and energy saving，service life long power chips become a hot spot.AC/DC switching power supply converter source with its advantage of price and volume efficiency，has been widely applied in the field of small power sources.Based on the working principle of AC/DC switching power supply converter，found that the error amp had a great influence on the precision of the power chip，and accordingly puts forward a kind of combined error amplifier，would reduce the output voltage of the light load to full load to 40 mv.And put forward the intelligent resistance peak circuit，reduced the LEB end and the switch is off，the time lag of safety performance improvement.This chip test，finally found the ESD resistance up to 10 kv，chip performance is stable.Hope for the future power supply chip design to provide the reference.

Keyword：anti-interference;power chips;intelligent;error amplifier

引言

AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以其價格、效率、體積等優(yōu)勢在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電腦、顯示器、路由器、移動設(shè)備都離不開AC/DC開關(guān)電源[1]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，開關(guān)電源的功率、工作頻率等都大幅提升，但是由于電源中的電流和電壓不能突變，交替過程中會產(chǎn)生功率損耗。研究表明，此損耗與頻率成線性關(guān)系，因此電源工作頻率越高，損耗也就更大。

近些年來，隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用年限長的電源芯片勢在必行[2]。從需求來看，電源發(fā)展趨于智能化、集成化、數(shù)字化、微型化、高頻化等方向[3]。本文基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對整個電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時間差，使安全性能提高。經(jīng)過試驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10kV，性能穩(wěn)定。

1.AD/DC開關(guān)電源工作原理

AC/DC開關(guān)電源輸入信號為低頻交流電壓，輸出信號為直流電壓和電流，中間的轉(zhuǎn)換過程通過整流電路和濾波器完成。由于開關(guān)電源極易受到干擾，一般都是隔離放置。電路內(nèi)部還需要升壓裝置，故器件本身體積較大。

其工作原理是[4]：交流信號首先經(jīng)過橋式整流器和PFC功率校正器，在經(jīng)過EMI濾波器變成類直流信號，隨后經(jīng)過升壓裝置進(jìn)行耦合傳輸，開關(guān)導(dǎo)管完成信號輸出。開關(guān)電源一次傳遞的能量由PFM控制開關(guān)的占空比確定，在輸出端完成整流后實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 AC/DC開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

上述系統(tǒng)一般通過光耦合將輸出的電壓信號反饋給電源芯片，圖1中的電壓信號以原邊反饋形式輸出。電源芯片負(fù)責(zé)求出參考電壓信號與反饋電源信號的誤差，并通過誤差放大器將其放大。此誤差為控制系統(tǒng)工作頻率和脈沖寬度的信號，直接決定占空比和傳遞能量的大小。

根據(jù)本文的相關(guān)要求，初步設(shè)置電流誤差不超過10%，電壓誤差不超過5%，輸出恒壓電壓的波動值小于0.2V，電源轉(zhuǎn)換效率不低于70%，電磁干擾裕量設(shè)置為6dB，抗ESD能力達(dá)到8kV以上。選用PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器，芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 電源芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架

2.芯片重要模塊電路研究

芯片中至關(guān)重要的模塊就是帶隙基準(zhǔn)電壓源，其作為整個電路原始電壓參考值，影響著整個系統(tǒng)的性能[5]。帶隙基準(zhǔn)電壓源電路穩(wěn)定后才能提供參考電壓Vref，此電路的電壓由VCC提供，變化范圍在9V～18V，工作環(huán)境欠佳。本文對其進(jìn)行改進(jìn)，將VCC的電壓降低到 6V，在通過高壓管給芯片帶隙基準(zhǔn)電壓源供電，這樣可以使電壓源較為穩(wěn)定。改進(jìn)之后，芯片核心電路不在需要高壓管，會節(jié)省其體積并降低制造成本。

低壓線性差穩(wěn)壓源可以給芯片內(nèi)部電路供電，并供給一些偏置裝置。一般情況下，低壓線性差穩(wěn)壓源的供電能力要不低于2mA，此為電路的滿載電流。電流過低，低壓線性差穩(wěn)壓源的電壓將會降低，導(dǎo)致電路無法工作。

誤差放大器可以提高輸出電壓精度，其系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 誤差放大器電路

傳統(tǒng)放大器的輸出電壓為：

其中，VH為誤差放大器的正端電位，V;Vref為誤差放大器的負(fù)端電位，V;gm為跨導(dǎo)，S;RO為上電阻，Ω;VDC是DC端的電位，V。

為了增大芯片的控制范圍，將輸出電壓的范圍設(shè)置為1V～5V，重載時的輸出電壓取1V，輕載時取5V。將其進(jìn)行折算，得到的輸出電壓偏差為：

其中，R1為下電阻，Ω;NS、Naus為電感，如圖3所示。

說明傳統(tǒng)芯片輕載與滿載變化過程會出現(xiàn)0.2V的電壓差。為了克服這個問題，提出一種復(fù)合放大電路，其包含快、慢兩條增益電路。在負(fù)載迅速變化時，快速通路作用;當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定時，慢速通路作用。這樣兩個增益通路共同作用實(shí)現(xiàn)了電源芯片的高精度輸出，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)的誤差放大器電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的誤差放大器電路圖

3.芯片系統(tǒng)測試

對AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器芯片各個部分進(jìn)行設(shè)計之后，最終得到的電源芯片含有5個pin腳，其典型應(yīng)用電路連接如圖5所示。

圖5 電源芯片典型應(yīng)用電路連接

由圖5可以看出，整個芯片所需要的電量都是由電容C提供。OUT是輸出腳，可以控制開關(guān)管的連接與斷開。對芯片系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

表1 芯片系統(tǒng)板端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

90V 264V

I（mA） U（V） 紋波（mV） I（mA） U（V） 紋波（mV）

0 4.85 44 0 4.85 47

100 4.9 68 100 4.91 69

200 4.95 73 200 4.96 77

300 5 82 300 5.02 88

400 5.04 92 400 5.03 93

500 5.09 94 500 5.09 101

600 5.15 99 600 5.13 110

700 5.19 119 700 5.19 118

800 5.24 120 800 5.24 130

900 5.28 130 900 5.29 138

1000 5.32 150 1000 5.33 141

1025 5.32 152 1025 5.35 156

1050 5.17 160 1050 5.06 150

1091 4.75 158 1075 4.75 148

1105 2.5 148 1086 2.5 155

為了滿足不同國家的需求，芯片系統(tǒng)電壓選擇了90V和264V兩種初始條件。從表1中的數(shù)據(jù)分析，線損補(bǔ)償大約為10%，基本接近設(shè)計目標(biāo)9%。整個系統(tǒng)補(bǔ)償過程為類似線性補(bǔ)償，最大波紋出現(xiàn)在電流為1050mA時，為160mV，小于200mV的設(shè)計值。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率約為74%，達(dá)到高效的要求。電源芯片抗干擾裕量為7.6dB，大于設(shè)計值6dB。氣隙放電模式的系統(tǒng)能抵抗10KV的ESD干擾。經(jīng)測試，本芯片系統(tǒng)滿足各項(xiàng)設(shè)計指標(biāo)。

4.結(jié)語

隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、壽命長的電源芯片勢在必行。本文基于AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。討論了帶隙基準(zhǔn)電壓源、低壓線性差穩(wěn)壓源、誤差放大器等字模塊。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對整個電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開關(guān)斷開的時間差，使安全性能提高。經(jīng)過試驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10kV，最大波紋為160mV，電源芯片抗干擾裕量為7.6dB，且性能穩(wěn)定。希望為今后AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計制造提供幫助。

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作者簡介：杜斌（1983—），男，助理工程師，設(shè)計師，研究方向：開關(guān)電源設(shè)計，電源芯片應(yīng)用，電磁干擾等。