分立元件在开关电源中的应用

MentorWangMSN:[e-mail]:13371916867分立元件在开关电源中的应用电源有如人体的心脏，是所有电子设备的动力。但电源的形式不象心脏那样形式单一，因为标志电源特性的参数有功率，电压，频率，噪声及带负载是参数的变化，在同意参数要求的情况下，又有体积，重量，形态，效率，可靠性等指标，人可以按此去设计自己需要的电源。一般电力（如市电）要经过转换之后才能符合使用，转换的例子有：交流转换成直流，用于各种低压电子设备，高压转换成低压，用于配电输送，直流转换成交流，用于便捷式产品当中等。这一过程有人形象的说成：粗电“炼”为精电，只有精电才好使用。在这个过程中，我们的电源转换器就是“炼炉”。按照一般的习惯，我们将电源分成以下：AC-DC（交流转直流）变换器，DC-DC（直流转直流）变换器以及DC-AC（直流转交流）逆变器。为了达到这些目的，实现的手段是多样的。在AC-DC变换中，有线性电源（Linear），充电器（Charger），电源适配器（Adapter），普通的开关电源（SMPS）等形式出现;DC-DC变换中，有开关电源（SMPS），普通稳压器（Regulator），低压差稳压器（LDO），开关稳压器（Switchingregulator）;在DC-AC变换中，有UPS/EPS，变频器(Inverterformotor)，高压条(InverterforCCFLbacklight).不管电源以何种形式出现，都需要五个功能部分，输入电容，输出电容，开关管，整流管和功率变换部分（变压器或者是电感）。而开关管和整流管都是以功率半导体的形式来出现的，下面我将详细阐述功率半导体元件在开关电源中的应用。在开关电源中，需要用到的分立元件有二极管（diode）,以肖特基(Schottky),快恢复二极管（Fastrecoverydiode）,稳压管（ZenerDiode）为常用件。作为功率部分的开关管以MOS-FET和功率三极管，IGBT等为主导。另外还需要一些小信号的二极管，三极管做信号处理，晶闸管(Thyristor)，可控硅(Triac)等作为AC-DC部分中的的启动电路等。为了帮助各位更进一步的了解这些元件在电路中的作用和客户所关心的元件的性能，下面将介绍市场上面最常用的开关电源中所使用到的分立元件的情况。AC-DC变换中开关电源案例75W以上，200W以下典型的开关电源电路（Above75Watts,below200Watts,typicalschematicdiagramofSMPS(SwitchingModePowerSupply)）InverterMentorWangMSN:[e-mail]:13371916867该电路主要是应用在20英寸以上的LCD-TV或者是一些通讯设备当中，满足系统复杂的电源系统的要求，一次电源的多路输出简化了主板上面对多种电压的要求，从而降小了系统主板上面的体积，降低了主板上面的电源成本等。从上面的电路中，我们先分析一下电源的要求：输入电压：85---265Vac(全球通用范围)输出电压：5V2.3A,8V1A,25V0.12A,+15V1A,-15V1A，inverter部分输入功率输出功率：现在对上面的电路进行解剖，分析那些部分需要用到功率半导体元件：输入整流部分：主要是使用桥堆，小功率（20W以下）的使用4pcs二极管来实现居多，比如可以使用ROHM公司的1SR139-600，市场常用型号为1N4007功率因数校正（PFC）部分：主要由一个PFC控制芯片，1pcsMOS-FET,1pcsDiode和一个功率电感组成，在PFC控制芯片方面INFINEON有TDA4863可以实现，MOS-FET主要是采用漏源击穿电压（VDS）为600V之系列，漏极电流（ID）的大小由开关电源的输出功率来决定，一般是3A以上，主要原因是带PFC电路的开关电源的输出功率都在75W以上，因为国家相关法律规定75W以下的可以不带PFC，比如INFINEON的SPP07N60C3,ROHM公司的RDX045N60，RDX06N60和RDX100N60等。同时还需要一个快恢复的开关二极管，这个二极管的要求主要是对反向击穿电压要求比较严格，很遗憾，目前ROHM没有能够做到反向击穿电压能够达到600V的，目前只有400V，所以不能满足PFC部分整流，如果客户有相关需要，可以找我们PHILIPS产品线的同时，PHILIPS有比较多的此类产品。功率开关部分：这部分电路主要包括两部分，一是PWM控制部分，另外就是功率半导体，比如MOS-FET，IGBT等。针对功率开关电路部分，有一些厂家将PWM控制部分与开关管集成在一个IC上面，比如INFINEON公司有ICE3AXXX系列，PHILIPSTEA152X系列产品，这些主要是针对小功率电源。一般情况下，只要电源的输出功率超过40W，很少厂家会采用前面这种PWM与MOS-FET集成在一体的芯片，尽管很多公司有很多此类产品e.g.ICE3A3065P(62W).主要原因是散热条件不好，不便于产品增加输出功率要求，另外就是价格高。所以在这里我主要讨论PWM芯片外置MOS-FET的形式去实现功率开关。首先我们要稍微了解一下PWM芯片的类型：反激式/正激式控制芯片（中小功率），半桥/推挽控制芯片（中功率），全桥控制芯片（大功率）三大类，在我们上面的图中，可以很明显的看出他的PWM需要一个能够支持反激式拓扑结构的控制芯片，比如INFINEON的TDA4863，PHILIPS的TEA1506等就可以实现。这些芯片有一个共同特点，那就是它在实现功率变换的情况下只需要一个MOS-FET，而半桥电路，推挽电路需要2pcs,全桥则需要4pcs,为了方便各位更好的了解这些电路对MOS-FET的具体要求，请参考下表拓扑结构MOS-FET数量VdsId反激式/正激式12*VinIp半桥2VinIp推挽22*Vin1/2Ip全桥4Vin1/2IpVin是指最大输入直流电压通过上面这个表格，我们就可以在ROHM/INFINEON/PHILIPS的产品中选择好相关的参数的产品推广给我们客户。整流（Rectifier）部分：传统的整流方式还是利用二极管的正向导通，反向截止的特性来实现。就想我们上面的图中所表示的一样。每路输出都有变压器的一个绕组，再由一个二极管整流，滤波之后得到相应的直流输出电压。因此，我们在和客户沟通的时候，不仅需要了解客户所设计电源的功率大小，还需要了解客户所设计的电源的每路输出情况。比如客户MentorWangMSN:[e-mail]:13371916867需要做一个两路输出的电源，分别为5V10A和12V2.5A，这样我们可以找两个相应的整流二极管来实现客户的要求，针对5V10A这组电源，我们可以推广ROHM公司的RT215T-40（20A45V）或者RT225T-60（30A60V）等，针对12V2.5A这组，我们可以推广RT095T-90(6A100V)或RT085T-90(10A100V)等，一般选择二极管的规律就是二极管的反向电压为输出电压的5倍以上，正向导通电流为输出电流的3倍以上就比较合适。另外针对现在很多系统需要低压大电流的电压来供电，很多客户会在输出部分采用同步整流来实现，而实现同步整流的方法有两种：一是直接利用MOS-FET来实现，另外就是采用专用芯片加MOS-FET来做，不管怎么做，他们都需要MOS-FET，而这个使用ROHM的很多低压MOS-FET就可以派上用场，比如很多单N-CH或者是双N-CH漏源击穿电压为30V，漏极电流较大的产品就可以推广给客户去测试测试。另外，由于变压器漏电感的存在，变压器在高频开关的情况下，会产生很大的励磁电流，由于MOS-FET是工作在硬开关的情况下，相应的尖峰电压随即产生，为了减少MOS-FET的“工作压力”，在大部分情况下，我们会增加一个吸收回路，一般采用RCD钳位电路去实现，在这个过程中，我们可以推广一个快恢复二极管给用户。在AC-DC变换中，还有我们一些传统的线性电源，他的主要结构是通过工频变压器将220V50Hz的交流电压转换成我们所需要的低压，这个低压的频率仍然为50Hz，属于一个低压交流，在客户要求直流电压不是很精确的情况下，可以直接利用二极管整流，电容滤波之后直接输出，如果要得到输出精度较高的直流输出电压，需要在前面的基础之上增加一个三端稳压器，比如ROHM的BA78MXXCP，BA78MXXFP，BA78XXCP，BA78XXFP等。电源适配器(Adapter)的电路结构和开关电源的电路差不多，只不管电源适配器输出的电压组数/路数要少一点，一般是单路输出，另外就是对元器件的体积要求更加严格，要求性能好，体积小的元器件。充电器（Charger）是电源中的一个特例，他不仅需要一个完整的开关电源电路，而且需要增加电池保护电路。这个保护电路有人使用单片机来设计，也有人采用专用的充/放电IC，更有人直接采用分立元件来制作，但是不管怎么样，他们都需要一些做检测电路，我们可以推广ROHM的小信号三极管，MOS-FET来处理这个电路中的信号处理部分，可以推广一些稳压管供客户做电压取样用，推广大低压大电流MOS-FET做充电/放电主电路（需要2pcsN-CHMOS-FET,一个控制充电，一个控制放电）用等。DC-DC变换部分随着能源的紧张，人们希望降低电子设备的功耗，要实现这个目标，各芯片厂家总是推MentorWangMSN:[e-mail]:13371916867出越来越低的工作电压的芯片，比如在2004年，INTEL就推出1.8V工作电压的CPU，工作电压在2.5V,3.3V的芯片已经成为便捷式产品中的主流，比如手机，笔记本电脑，PDA，MP3，MP4等产品，其主芯片和主要的功能芯片都采用低电压芯片，这些芯片的广泛使用为DC-DC变换作出了巨大贡献。为了实现DC-DC变换，获取不同的输出电压，现在我们简要分析一下这些获取途径：升压方式（输出电压大于输入电压）：比如输入电压为5V，要求得到输出的电压为12V，这个时候就需要一个升压电路，如果客户对输入输出电压不需要隔离，而且12V的负载电流大于50mA,实现这个功能就需要做一个独立的DC-DC电路，一般的实现方式是采用下面这个booster结构来实现，示意图如下：图中，Q代表功率开关部分，D代表输出整流部分功率开关部分，一般由一个PWM芯片和一个功率元件（MOS-FETorTransistor）组成。比如可以采用ROHM公司的BD9300作为PWM控制芯片，外置一个功率管，可以是三极管2SC4672也可以是MOS-FETRSSxxxN03系列的N-CH的管子等。整流部分一般是用二极管来实现，在这方面ROHM的肖特基（SBD）二极管可以派上用场了，比如RB160M-40，RB050L-40等。另外就是ROHM的胆电容也可以放到电路中Cf的位置，漫漫体会吧，也许会有新发现！降压方式（输出电压小于输入电压）：1比如输入电压为3.3V~4.2V,输出电压为2.5V，输出电流比较小的情况下，e.g.100mA,我们的生意机会就是采用LDO，BH口口FB1WG,BH口口FB1WHFV等。采用LDO的场合主要是集中在输入电压比较稳定，并且与输出电压差值不大的情况下，LDO的优势就比较明显，但是在整个电压变换过程中，一直遵循输入电流等于输出电流这个原则，变换效率为输出电压与输入电压之比2当输入电压与输出电压之间的差值比较大的情况下，实现电压变换有两种形式：一个就是采用我们传统的三端稳压器，另外就是采用开关式的DC-DC（简单的说就是带开关的LDO，注意区分不是带Standby的LDO）在这里主要讲述DC-DC部分，这中电路主要应用在输入电压与输出电压之间的差额较大，通常大于3V，输出电流比较大，比如要求500mA或者以上，PCB上面的