新颖的小功率集成的AC-DC转换器方案
新颖的小功率集成的ac/dc转换器方案
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：
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)。
图1：starplug内部电路框图。
过压保护
在芯片的框图中，虽然没有为过压保护设计专门的通道，但这个功能是存在的。在实际应用过程中，一旦产生过电压，则必然将reg端的工作电平上拉，从而使初级绕组的工作行程 立即终止。只有当过压消除，reg端电压恢复到正常值，功率mos管才能正常开关。 starplug的应用
前已述及，starplug有两种反馈方式，这两种方式就构成了starplug作为反激式ac/dc转换器的两种典型应用电路。
图2是最简单最基本的应用电路，其特征就是由变压器的辅助绕组来反馈电网和负载的变化。
由图2可见，由整流桥和滤波器组成了电路的输入部分，并通过变压器初级绕组加到tea162x的drn端。显然，tea162x是整个转换器的心脏，以下围绕tea162x分析一下图2的各部分电路。
1. 由c3r2组成振荡电路
振荡电路元件的值是根据工作频率来确定的，starplug的开关频率可在10khz到200khz之间工作，通常工作频率大都选在40~100khz之间。
频率选定了，则可按下式来计算元件值：
振荡器的充电时间tcharge，由starplug的参数表中查出为1us。
至于rc的取值，可先选定c，然后再算r值，要保持电路的稳定，电容c必须大于220pf，但从效率方面来考虑，频率高时亦不宜将电容选得太大，例如200khz时，c取10nf，则振荡器的功耗达到12.5mw，这显然是不可取的。
推荐实例：开关频率取100khz，这时振荡器的时间常数为2.7us，c取330pf，r=7.5kω。
2. 过流保护和绕组短路保护电阻r3：
电阻r3设置了变压器初级峰值电流，也设定了最大传输的输出功率，电阻r3的值可用下式计算：
由star plug的手册可得知：
实例：一个3w的电源，开关频率为100khz，效率为75%，通过变压器的峰值电流为230ma(反射电压)，则电阻r3设定为2ω，限定峰值电流为250ma。
3. 稳压元件r4和r8：
在辅助绕组反馈的电路中，输出电压是受辅助绕组控制的。实际上在变压器中所有绕组都有同一个磁通变量，次级输出电压和辅助电压vcc是通过变压器的匝数比na/ns而关联的。vcc的电压信息又通过一个电阻分压器，即r4和r8提供给reg端的，因此，tea162x直接稳定了vcc的输出电压，间接的稳定了输出电压。
这两个电阻的值可由下式确定：
为防止瞬时高压对reg的影响，推荐r4的值为3k-10kω之间。
4、退磁电阻r5：
这个电阻是用来限制流入aux腿的电流的，根据产品的技术条件，流入aux腿的最大电流为5ma，流出的最大电流为10ma，基于这点，产品的设计者给出了一个近似的估算式：
这个式子，不要从量纲上去考虑，仅作为一个经验的估算法。
5、供电电路c5、r6、d8：
前已述及，芯片内的高压启动电流源对电容c5充电，当充电电压达到电路启动电压9v以上时，tea162x进行工作状态。c5的值应小1uf，实际上在所有的应用中都选用470nf。
与辅助绕组相连的二极管只需选用普通二极管。与二极管相连的电阻r6，是用来防止瞬时峰值电压的，其阻值要由实验确定，开始实验时可在56~560ω之间选择。
图3是用光电藕合器来反馈的典型应用电路。从初级侧来看，其最大的区别就是在图3中用光电晶体管来取代图2中的电阻r8，而图3的次级则增加了发光二极管及其采样、驱动电路。
图2所示的ac/dc转换器适宜作电压源，其稳压精度与变压器各线圈的耦合度有关，大约在8%以内，对于那些对稳定度要求不高而对成本要求很高的场合，可选用此方案。
如果对稳压精度及其它参数要求较高的用户，如稳定精度要求达到1%左右的用户，则应采用图3所示的方案。
本文后记
近期的实践表明，starplug已成功地在下列方面得到了应用：适配器产品系列：5v/1a，5v/2a，9v/1a，12v/1a等等，热工仪表，电力仪表，红外节水器具，led灯驱动电源，dvd，机顶盒等．
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