摘  要： 介紹了一種基于集成PWM和SenseFET的開關(guān)電源芯片FSL206MR的離線式開關(guān)電源設(shè)計，詳細分析了反饋電路和降壓拓撲的工作過程及設(shè)計方案。采用NPN晶體三極管MMBT2222A和穩(wěn)壓管BZX84C13組成反饋網(wǎng)絡(luò)。該開關(guān)電源性能優(yōu)良，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)壓效果好、易封裝等優(yōu)點，具有很高的生產(chǎn)應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞： FSL206MR；離線式開關(guān)電源；反饋電路；降壓型拓撲設(shè)計

　　開關(guān)電源被譽為高效節(jié)能電源，與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源內(nèi)部功率損耗小、轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕，而且電路形式靈活多樣，選擇余地大，因此開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)的器件，通過周期性間接工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓[1]。

　　本文介紹了飛兆半導(dǎo)體專為最少外部組件的高性能離線式開關(guān)電源（SMPS）而設(shè)計的電源芯片F(xiàn)SL206MR[2]。本文設(shè)計了由FSL206MR構(gòu)成的15 V、5 V的高頻開關(guān)電源模塊。該模塊可應(yīng)用于DVD播放器或機頂盒的開關(guān)電源、電機智能功率模塊的供電電源、輔助電源的開關(guān)電源等控制供電電源，有很好的應(yīng)用前景。

　　1 FSL206MR的主要性能特點和工作原理

　　1.1 性能特點

　　FSL206MR是飛兆半導(dǎo)體智能電源開關(guān)系列的一款高性能離線式電源芯片。此器件集成了高壓功率調(diào)節(jié)器，合并了雪崩耐用650 V SenseFET和電流模式PWM控制模塊。FSL206MR具有67 kHz精確的固定工作頻率。內(nèi)置了軟啟動和自重啟保護電路，無需輔助偏置繞組。內(nèi)部高壓啟動開關(guān)和突發(fā)模式運行使用極低的工作電流，降低了待機模式下的功耗。

　　1.2 工作原理

　　FSL206MR的內(nèi)部框圖如圖1所示，主要包括以下部分：

　　（1）啟動：啟動時，內(nèi)部高壓電流源提供內(nèi)部偏置并對連接到VCC引腳的外部電容（CA）充電。位于VSTR和VCC引腳之間的內(nèi)部高壓調(diào)節(jié)器HV/REG將VCC調(diào)節(jié)為7.8 V，并提供工作電流。因此，F(xiàn)SL206MR無需輔助偏置繞組。

　　（2）反饋控制：FSL206MR采用電流模式控制。通常使用光電耦合器和電壓調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)反饋網(wǎng)絡(luò)。通過比較反饋電壓與RSENSE電阻兩端的電壓，可實現(xiàn)開關(guān)占空比的控制。當電壓調(diào)節(jié)器參考引腳電壓超過內(nèi)部參考電壓2.5 V時，光電耦合器LED內(nèi)部電流會增大，反饋電壓VFB被拉低，并且占空比減小。這種情況通常在輸入電壓增高或者輸出負載降低時會發(fā)生。

　　（3）保護電路：保護功能包括過載保護（OLP）、過壓保護（OVP）、欠壓鎖定（UVLO）、線路欠壓保護（LUVP）、熱關(guān)斷（TSD）以及異常過流保護（AOCP），所有保護的自動重啟模式。這些保護電路完全集成在IC中，因此能在不增加成本的情況下提高穩(wěn)定性。如果出現(xiàn)故障，開關(guān)將終止，且SenseFET保持關(guān)斷。這會導(dǎo)致VCC開始下降。當VCC達到UVLO停止電壓VSTOP（7 V）時，保護功能被重置，并且內(nèi)部高壓電流源通過VSTR引腳為VCC電容器充電。當VCC達到開啟電壓VSTART（8 V）時，F(xiàn)PS恢復(fù)正常工作。

　?。?）軟啟動：FSL206MR具有內(nèi)部軟啟動電路，它啟動后能夠緩慢地增大反饋電壓和SenseFET電流。啟動過程中允許SenseFET電流逐漸遞增，輸入功率開關(guān)器件的脈寬逐漸增加，輸出電容器上的電壓逐漸增加，可順暢地建立所需的輸出電壓。

　　2 開關(guān)電源設(shè)計實例

　　開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由220 V交流電壓整流、DC/DC變換器、Buck拓撲變換器組成。

　　220 V交流市電經(jīng)EMI濾波整流后接入DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換電路，通過比較FSL206MR反饋電壓VFB與內(nèi)部電流感測電阻RSENSE電阻兩端的電壓實現(xiàn)開關(guān)占空比的控制，反饋電壓被拉低時，占空比減小。FSL206MR內(nèi)部SenseFET的間歇式開關(guān)作用于后級Buck拓撲的變換器上間歇式地對Buck斬波電路中電感進行充電，使得最終輸出電壓Vo1平穩(wěn)輸出。Vo1后級接入常用的7805系列變換器MC78L05為系統(tǒng)提供5 V的電源Vo2。

　　2.1 輸入整流濾波電路設(shè)計

　　輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電路[4]。在交流電源輸入端，基于安全考慮和EMC考慮，采用耐壓極高的安全電容來抑制EMI傳導(dǎo)干擾。X電容選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容來消除交流輸入差模干擾，吸收電網(wǎng)中的高次諧波，此時必須在X電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻，用于防止電源線拔插時，該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電[5]。交流輸入與地之間選用直流耐壓很高并且對地漏電電流小的Y電容來消除交流輸入共模干擾。交流輸入零線上接入負溫度系數(shù)的壓敏電阻，防止安全電容過沖現(xiàn)象。具體參數(shù)如下：X電容XC2選用0.33 ?滋F/275VAC；安全電阻MOV1選用壓敏電阻MOV-14D471K；YC1、YC2、YC3選用2 200 pF/450V。整流部分直接選用單相整流橋KBPC806，具有600 V的反向耐壓值，輸出電流最大可達到8 A。整流濾波電路選用NICHICON公司的兩個紋波電流為1 100 mA、容量為220 ?滋F的鋁電解電容并聯(lián)，相當于可消除最大2.2 A的電流紋波成分，將整流后的殘留交流旁路回流，利用電容充放電特性使輸出電壓穩(wěn)定在平滑的平均值，并且利用電容的峰值充電特性使輸出直流電壓近似等于脈動峰值電壓，提高輸出效率[6]。整流部分電路圖如圖3所示。

　　2.2 反饋回路設(shè)計

　　根據(jù)FSL206MR反饋控制的原理設(shè)計反饋回路，要求得到輸出為15 V電壓，并且使用最少外部電路的原則，采用NPN晶體三極管、穩(wěn)壓管和快速整流管組合電路實現(xiàn)反饋電路的設(shè)計。

　　FSL206MR的控制原理如下：FSL206MR的6、7、8漏極可以連接最高650 V的直流電壓，它的工作原理是根據(jù)反饋電壓的大小以PWM方式控制內(nèi)部SenseFET的開關(guān)，間歇性對后級的Buck拓撲電路進行充電。當電路接入交流市電時，通過整流電路后VCC電壓約為311 V。311 V電壓通過S1J整流管直接加到漏極和引腳5（VSTR），啟動時，內(nèi)部開關(guān)提供內(nèi)部偏壓，并對放置在引腳2（VCC）與引腳1（GND）間的外部電容VFB（C22）充電。一旦VCC達到8 V，所有內(nèi)部模塊都被激活。內(nèi)部高壓調(diào)節(jié)器（HV REG）不定期導(dǎo)通和關(guān)斷，使VCC維持在7.8 V，滿足芯片要求的電源輸入。反饋電壓端引腳3（VFB）最終連接到PWM比較器的同相輸入端，包含一個內(nèi)部連接的0.11 mA電流源，內(nèi)部模塊激活后，IFB通過二極管向外部電容CFB（C24）充電，直到外部電壓高于2.4 V后，二極管截止，內(nèi)部2.7 ?滋A的電流源IDELAY向CFB繼續(xù)充電至5 V時，開關(guān)操作截止，這種電路特性用來實現(xiàn)電路的過載保護特性。本文設(shè)計中引腳2（VCC）外部是通過輸出電壓15 V經(jīng)過快速整流二極管D8（ES1J）、二極管D4（1N4148）和電阻連接的，這樣連接可以很好的使用FSL206MR芯片中過壓保護的設(shè)計，當VCC超過24.5 V時過壓保護電路被激活，導(dǎo)致開關(guān)操作截止保護后級電路。反饋電路核心設(shè)計思想是使用FSL206MR內(nèi)部結(jié)構(gòu)中SenseFET間歇開關(guān)的設(shè)計，間歇運行可以實現(xiàn)最大限度地降低待機模式的功耗。隨著負載減小，反饋電壓也隨之減小，反饋電壓降至VBURL時，器件自動進入間歇運行模式，開關(guān)過程繼續(xù)進行，直到反饋電壓降至VBURL以下，開關(guān)停止，輸出電壓由于負載耗能而降低，同時反饋電壓會增加，直到反饋電壓超過VBURH時，開關(guān)操作恢復(fù)。反饋電壓隨之降低，此過程將重復(fù)進行。間歇模式會交替使能和禁用SenseFET的開關(guān)，并降低待機模式的開關(guān)損耗。本文設(shè)計的反饋電路是將反饋電壓引腳VFB連接三極管Q1（MMBT2222A）的集電極，Q1的發(fā)射極連接到芯片的管腳1（GND）上，這樣控制Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷就可以調(diào)節(jié)VFB電壓，使得芯片工作在間歇模式下。設(shè)計中需要輸出電壓為15 V，因此將輸出電壓通過快速整流二極管D8和13 V的穩(wěn)壓管D7（BZX84C13）與電阻R24串聯(lián)至Q1的基極。這樣SenseFET導(dǎo)通和關(guān)斷形成PWM充電模式，通過Buck降壓電路至輸出電壓端，間歇式向電感L3充電，直到電感右端電壓到15 V時，13 V穩(wěn)壓管D7導(dǎo)通，這時流過D8整流管的電流等于流過二極管D4的電流和穩(wěn)壓管D7電流之和ID8=ID4+ID7。通過查閱器件的數(shù)據(jù)手冊得到D4（1N4148）的前向電流為150 mA，D7（BZX84C13）的反向?qū)娏鳛? mA，可以得到ID8=155 mA，根據(jù)D8（ES1J）手冊提供的前向電壓和前向電流關(guān)系圖可以得到D8的前向電壓為1.3 V。設(shè)計的輸出電壓為15 V，則需要輸出電壓為15 V時內(nèi)部SenseFET開關(guān)關(guān)斷，也就是VFB電壓需要低至VBURL，根據(jù)設(shè)計則需要Q1導(dǎo)通，相當于VFB與GND相接。要使三極管導(dǎo)通則需要三極管基極電壓大于開啟電壓VBE（SAT）（0.7 V），這樣就可以達到設(shè)計要求的輸出電壓V=VD8+VD7+VBE（SAT）=15 V。當輸出小于15 V時，Q1截止，VFB增加，SenseFET開關(guān)導(dǎo)通，向Buck電路電感充電；輸出高于15 V時，Q1導(dǎo)通，VFB降至VBURL以下，SenseFET開關(guān)截止，通過Buck電路向負載供電，電路進入間歇工作模式，使輸出電壓穩(wěn)定在15 V。

　　2.3 Buck拓撲電路設(shè)計

　　Buck拓撲電路選用傳統(tǒng)的Buck降壓斬波電路，設(shè)計中電路由D9、L3和C25構(gòu)成（圖5所示）。具體的工作原理如圖4所示。

　　Buck拓撲電路的設(shè)計是根據(jù)電感和電容的儲能特性設(shè)計的，在SenseFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下，電路產(chǎn)生不同的工作模式。導(dǎo)通時，電感儲能電壓UL=Vin-Vout=L■；關(guān)斷時，二極管D導(dǎo)通，形成回路電感將導(dǎo)通時存貯的能量釋放，輸出電壓UO=UL。

　　根據(jù)設(shè)計要求，輸入電壓VIN=311 V，輸出電壓VOUT=15 V，輸入最大電流IINMAX=8 A，輸出最大電流IOUTMAX=0.6 A，選用的二極管D9（UF4005）的導(dǎo)通壓降VD=1.7 V，SenseFET的導(dǎo)通壓降VSW=1.5 V。對于Buck電路，導(dǎo)通時電感電壓VON=VIN-VSW-VOUT=311-1.5-15=294.5 V，關(guān)斷時電感電壓VOFF=VO+VD。應(yīng)用秒伏數(shù)定律[3]Buck變換器的占空比方程：

　　電感電流IL=IOUTMAX=0.6 A，SenseFET的開關(guān)頻率fSW=67 kHz。根據(jù)Buck電路電流紋波率曲線選取電流紋波率r=0.4最佳值，電流紋波是單位電感的伏秒數(shù)，電流紋波率為：

　　因此選取L=1 mH，額定電流大于720 mA的功率電感。Buck電路需要輸出電容減少降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓過沖和紋波，輸出電壓過沖可以根據(jù)下列公式計算得出：

　　設(shè)計輸電電壓可以有10%的紋波存在?駐V=VOUT·10%=1.5 V，計算得出CO=10.9 ?滋F，為了留取足夠的余量選取CO為100 ?滋F/50 V的電容。

　　3 實驗結(jié)果及分析

　　經(jīng)過仔細分析、設(shè)計、安裝、調(diào)試，制作了基于電流型脈寬調(diào)制芯片F(xiàn)SL206MR的離線式開關(guān)電源，原理圖如圖5所示。在交流輸入為市電220 V/50 Hz時，實測不同負載下輸出電壓（表1）表明該開關(guān)電源工作穩(wěn)定，該設(shè)計基本達到設(shè)計要求，驗證了理論的可行性。

　　基于FSL206MR電源芯片設(shè)計的離線式開關(guān)電源直接從市電取電，不像線性電源中需要工頻變壓器，設(shè)計采用非隔離式DC/DC變換器使得外部器件及輔助電路最簡，減小元件對電路損耗。經(jīng)過實際應(yīng)用驗證該開關(guān)電源設(shè)計具有電源裝置的小型化、最簡化、高效化、高經(jīng)濟性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，發(fā)揮了FSL206MR各種電路保護功能，可靠性良好，有很好的經(jīng)濟前景。

　　參考文獻

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