面向21世纪的开关电源产品,必须是小型且高效率的。为适应新的需求,用于开关电源的电子元器件也在发生重要变化。例如,功率MOSFET、控制电路和保护电路实现单片集成化,产生出智能化电源器件IPD(Intelligent Power DevICe),为节约能源作出贡献。本文旨在介绍IPD产生的背景、重要特点,工作原理和实际使用方法,以期引起对智能化电源器件的关注。

开发背景

近年来,为防止地球环境恶化,要求所有电子产品都必须实现节能化。一些耗能比较多的国家,都制定出节能法律。例如,日本规定电视机、空调机、计算机等10大类电子产品,必须公开其产品用电效率;而且,推行冠军(Top Runner)制度,即把利用电效率最好的产品作为下一代产品用电效率的开发指标,限制日期勒令落后厂家赶上先进指标。其中,电源损耗、特别产品待机状态的功耗,都必须尽量减少。于是,提高电子产品综合能源利用效率,降低待机功耗是必须解决的重大课题。

日本松下电子工业公司开发出集成有功率MOSFET、电源控制电路和保护电路的单片化智能电源器件IPD,现已实现商品化。IPD的出现,省略启动电阻和漏极电流检测电阻,可使电源高效率化。此次,该公司充分利用IPD的特点,向市场投放一种可大幅度压缩待机时电力消耗的IPD系列产品。该系列产品结构,参见表1所示。

电源待机用IPD特点

1.采用间歇振荡方式

在为数众多的开关电源产品里,都是采用脉冲宽度调制PWM(Pulse-Width-Modulation)控制方式。利用PWM控制方式时,当负载比较轻时可使脉冲宽度变窄,当负载比较重时可使脉冲宽度展宽。但是,即使是空载时,也不能使脉冲宽度变成零。正因为当电源无负载时也需要一定的脉冲宽度,所以待机状态下由开关器件构成的损耗成为效率低下的重要原因,不容忽视。

为了解决这一难题,如今控制方式采用间歇控制方式。其优点在于负载愈轻用于控制开关器件栅极的短脉冲振荡波持续时间愈短,使之较长时间都无控制脉冲(MOSFET处于关断状态),从而降低开关损耗。

2.削减内部电路消耗的电流

IPD的内部控制电路采用CMOS构成,比以往利用双极型控制IC时内部消耗的电流大为减少。但是,在CMOS电路里也存在一些问题,例如比较器和运算放大器等模拟电路,工作时需要经常供应偏置电流。即使是处于待机状态下,电源的原边里电路仍在工作;为了抑制待机状态下的电力消耗,必须削减电路里的电流。

现在,采用精减电路的方法,使模拟电路里的偏置电流大为减少。作为电路里应用的电子元器件数量,仅用200个构成电源控制电路,而且把模拟电路里偏置电流降低原来的15%左右,同样能够正常地控制电源稳定工作。结果,整个控制电路的工作电流严格地限定在150μA左右。

电路工作情况

待机状态下用的IPD电路框图如图1所示。利用图1所示的IPD,可构成普通的回扫方式(Flyback)电源电路,具体的Flyback Mode电源电路实例如图2所示。其中,IPD具备4个端口:(1)漏电极端;(2)源电极端;(3)旁路端;(4)反馈端。实际应用时,参阅图2所示的旁路端连接有电容器,反馈端FB输入来自电源副边的反馈信号(通过光电耦合器)。

IPD的控制方式是采用电流型控制方式,漏电极里流过的电流不能超过表1所示的极限电流。正常工作时,变压器是非连续工作方式,工作比(duty)是由以下解析式决定的。但是,当启动时的工作比变成很大的情况下,在IPD内部设立的最大工作比(标准值=67%)以上的期间里,并不流通电流加以限制。

D=t_ON/T=L_P×I_LIMIT/V_IN×T,式中, L_P是变压器原边电感, I_LIMIT是漏极电流极限值,T是振荡周期; t_ON是输出MOSFET通导时间。当电源启动时,电源电路各点的波形如图3所示。输入电压一建立起来,便由漏极向旁路电容器充电;当充电流使旁路电容器的端电压(VBP)上升到5.7V时,则输出功率MOSFET开始振荡。这时漏极电流(I_DRAIN)被限制到极限电流值(I_LIMIT)以内。输入电压建立期间内,功率MOSFET还处于关断状态,电流从漏极端流入旁路电容器进行充电,控制VBP电压经常维持在5.7V。

电源的原边开始振荡,输出电压Vo上升,由光电耦合器发出的反馈电流(IFB)增加。当这个反馈电流大于50μA时,则控制输出的功率MOSFET停止振荡。电源向负载供应电流,输出电压一出现下降,反馈电流相应地减少,驱使功率MOSFET开始振荡。这种反馈操作是自动地返复进行的,控制输出电压Vo维持恒定。也就是说,功率MOSFET,按照负载用电情况进行间歇振荡,轻负载时MOSFET停止振荡期间长,重负载时停止振荡期间很短。实际运行结果表明,轻负载时比重负载时的振荡次数大幅度减少,待机状态是最轻负载状态,开关损耗明显降低。

实际使用方法

实际使用MIP0253型IPD器件,已构成1.5W输出功率的电源如图4所示,实用证实在轻负载时的效率有大幅度改善。该电源电路允许交流电输入电压范较宽(85～264V AC),交流输入经桥式整流和C1与C2构成的滤波器处理后,获得平滑输出直流电压。它直接为变压器T1和IPD器件供电,参阅图4所示的电路可知,变压器T1的原边的一端与输入直流电压正极连接,打“点”的原边同名端与MIP0253型IPD的漏极串联,通过源极接地。其中,变压器T1是专门为不连续模式工作设计的,而且力求把变压器的漏电感最大值控制在Max150μH以下,从而省掉漏极减振器(Snubber)电路。

变压器副边同名端(打圆点)连接整流二极管D3和电容器C6实现整流平滑直流电压,再经过电感L2和电容器C7滤波后构成5.5V稳压直流输出。该输出电压是由齐纳(稳压)二极管VR1和光电耦合器IC2决定的,利用齐纳二极管偏流电阻R3可调整直流输出电压。为提高控制稳定性、专门增加一个电容器G8。

利用IPD器件构成的1.5W稳压电源,其基本性能规范如表2所示。

利用MIP0254型IPD器件制作出5W的稳压电源,电路结构几乎与图4所示的1.5W稳压电源结构相同,电路结构图从略。因为输出功率大,参数均重新设计;又因漏极电流(0.91A)较大,为抑制漏极出现的反击电压,在漏极上附加有减振电路。该电源的特点主要是输出功率较大(5W),其主要特性都与1.5W电源的特性类似。

利用MIP0254型IPD器件,曾成功地制作出充电器,详见图5所示。它输出稳压直流电压Vo为5.2V,输出最大充电流Io为0.6A,输出最大功率为3W左右。鉴于漏极电流较大,为防漏极出现过大的反击电压也装备有减振电路。所谓减振电路,参阅图5可知,它实际上是漏极上旁接一条由D2二极管和电容器及电阻构成的支路,具有抑制漏极上的反击电压功能。

作为充电器应用,通常要求图6所示的输出伏安特性。为此,充电器的电路结构与稳压电源还有细致的差别,主要表现在反馈电路方面,参阅图5。晶体管Q1和电阻R5及R6构成电流限制电路,具体功能如下:充电器输出电流Io一增加,作为检测电流的电阻R5和R6两端的电压升高;于是,晶体管Q1的基射极之间的正向压降V_BE增加,导致晶体管Q1的集电极电流IC增加;增长的IC电流驱动光电耦合,使IPD的反馈电流大增,迫使开关器件(MOSFET)停止振荡。由于装备有灵敏的反馈电路,使充电器呈现出图6所示的输出伏安特性。

利用IPD时,应该注意的是变压器的轻微响声。因为IPD器件当进行间歇振荡时的频率是处于可听见的振荡频率范围内,变压器的EI状磁芯装配留有气隙、很可能随音频振动而发出声音。为防止变压器发出声音,可把EI字磁芯中间缝隙利用环氧树脂胶合固化。

IPD商品化为电视机、AV设备待机时节能作出贡献,今后除改进IPD性能之外,为提高电源效率仍需开发新技术。