摘  要： 介紹了一種基于集成PWM和SenseFET的開(kāi)關(guān)電源芯片FSL206MR的離線式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了反饋電路和降壓拓?fù)涞墓ぷ鬟^(guò)程及設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電源性能優(yōu)良，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓效果好、易封裝等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞： FSL206MR；離線式開(kāi)關(guān)電源；反饋電路；降壓型拓?fù)湓O(shè)計(jì)

　　開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，與傳統(tǒng)的線性電源相比，開(kāi)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(kāi)關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備，是當(dāng)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(kāi)關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)的器件，通過(guò)周期性間接工作，控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)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(kāi)關(guān)電源（SMPS）而設(shè)計(jì)的電源芯片F(xiàn)SL206MR[2]。本文設(shè)計(jì)了由FSL206MR構(gòu)成的15 V、5 V的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊。該模塊可應(yīng)用于DVD播放器或機(jī)頂盒的開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)智能功率模塊的供電電源、輔助電源的開(kāi)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(diǎn)和工作原理

　　1.1 性能特點(diǎn)

　　FSL206MR是飛兆半導(dǎo)體智能電源開(kāi)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(dòng)和自重啟保護(hù)電路，無(wú)需輔助偏置繞組。內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)開(kāi)關(guān)和突發(fā)模式運(yùn)行使用極低的工作電流，降低了待機(jī)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：

　?。?）啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)，內(nèi)部高壓電流源提供內(nèi)部偏置并對(duì)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(wú)需輔助偏置繞組。

　?。?）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(lái)實(shí)現(xiàn)反饋網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)比較反饋電壓與RSENSE電阻兩端的電壓，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)占空比的控制。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器參考引腳電壓超過(guò)內(nèi)部參考電壓2.5 V時(shí)，光電耦合器LED內(nèi)部電流會(huì)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(fù)載降低時(shí)會(huì)發(fā)生。

　?。?）保護(hù)電路：保護(hù)功能包括過(guò)載保護(hù)（OLP）、過(guò)壓保護(hù)（OVP）、欠壓鎖定（UVLO）、線路欠壓保護(hù)（LUVP）、熱關(guān)斷（TSD）以及異常過(guò)流保護(hù)（AOCP），所有保護(hù)的自動(dòng)重啟模式。這些保護(hù)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(kāi)關(guān)將終止，且SenseFET保持關(guān)斷。這會(huì)導(dǎo)致VCC開(kāi)始下降。當(dāng)VCC達(dá)到UVLO停止電壓VSTOP（7 V）時(shí)，保護(hù)功能被重置，并且內(nèi)部高壓電流源通過(guò)VSTR引腳為VCC電容器充電。當(dāng)VCC達(dá)到開(kāi)啟電壓VSTART（8 V）時(shí)，F(xiàn)PS恢復(fù)正常工作。

　?。?）軟啟動(dòng)：FSL206MR具有內(nèi)部軟啟動(dòng)電路，它啟動(dòng)后能夠緩慢地增大反饋電壓和SenseFET電流。啟動(dòng)過(guò)程中允許SenseFET電流逐漸遞增，輸入功率開(kāi)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(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)實(shí)例

　　開(kāi)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?fù)渥儞Q器組成。

　　220 V交流市電經(jīng)EMI濾波整流后接入DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)比較FSL206MR反饋電壓VFB與內(nèi)部電流感測(cè)電阻RSENSE電阻兩端的電壓實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)占空比的控制，反饋電壓被拉低時(shí)，占空比減小。FSL206MR內(nèi)部SenseFET的間歇式開(kāi)關(guān)作用于后級(jí)Buck拓?fù)涞淖儞Q器上間歇式地對(duì)Buck斬波電路中電感進(jìn)行充電，使得最終輸出電壓Vo1平穩(wěn)輸出。Vo1后級(jí)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(jì)

　　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(lái)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(lái)消除交流輸入差模干擾，吸收電網(wǎng)中的高次諧波，此時(shí)必須在X電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻，用于防止電源線拔插時(shí)，該電容的充放電過(guò)程而致電源線插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電[5]。交流輸入與地之間選用直流耐壓很高并且對(duì)地漏電電流小的Y電容來(lái)消除交流輸入共模干擾。交流輸入零線上接入負(fù)溫度系數(shù)的壓敏電阻，防止安全電容過(guò)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(dá)到8 A。整流濾波電路選用NICHICON公司的兩個(gè)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(dāng)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(dòng)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(jì)

　　根據(jù)FSL206MR反饋控制的原理設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)反饋電路的設(shè)計(jì)。

　　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(kāi)關(guān)，間歇性對(duì)后級(jí)的Buck拓?fù)潆娐愤M(jìn)行充電。當(dāng)電路接入交流市電時(shí)，通過(guò)整流電路后VCC電壓約為311 V。311 V電壓通過(guò)S1J整流管直接加到漏極和引腳5（VSTR），啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部開(kāi)關(guān)提供內(nèi)部偏壓，并對(duì)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(dá)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(gè)內(nèi)部連接的0.11 mA電流源，內(nèi)部模塊激活后，IFB通過(guò)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(shí)，開(kāi)關(guān)操作截止，這種電路特性用來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)載保護(hù)特性。本文設(shè)計(jì)中引腳2（VCC）外部是通過(guò)輸出電壓15 V經(jīng)過(guò)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(guò)壓保護(hù)的設(shè)計(jì)，當(dāng)VCC超過(guò)24.5 V時(shí)過(guò)壓保護(hù)電路被激活，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)操作截止保護(hù)后級(jí)電路。反饋電路核心設(shè)計(jì)思想是使用FSL206MR內(nèi)部結(jié)構(gòu)中SenseFET間歇開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，間歇運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)最大限度地降低待機(jī)模式的功耗。隨著負(fù)載減小，反饋電壓也隨之減小，反饋電壓降至VBURL時(shí)，器件自動(dòng)進(jìn)入間歇運(yùn)行模式，開(kāi)關(guān)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直到反饋電壓降至VBURL以下，開(kāi)關(guān)停止，輸出電壓由于負(fù)載耗能而降低，同時(shí)反饋電壓會(huì)增加，直到反饋電壓超過(guò)VBURH時(shí)，開(kāi)關(guān)操作恢復(fù)。反饋電壓隨之降低，此過(guò)程將重復(fù)進(jìn)行。間歇模式會(huì)交替使能和禁用SenseFET的開(kāi)關(guān)，并降低待機(jī)模式的開(kāi)關(guān)損耗。本文設(shè)計(jì)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(jì)中需要輸出電壓為15 V，因此將輸出電壓通過(guò)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(guò)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(shí)，13 V穩(wěn)壓管D7導(dǎo)通，這時(shí)流過(guò)D8整流管的電流等于流過(guò)二極管D4的電流和穩(wěn)壓管D7電流之和ID8=ID4+ID7。通過(guò)查閱器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(cè)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(jì)的輸出電壓為15 V，則需要輸出電壓為15 V時(shí)內(nèi)部SenseFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷，也就是VFB電壓需要低至VBURL，根據(jù)設(shè)計(jì)則需要Q1導(dǎo)通，相當(dāng)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(kāi)啟電壓VBE（SAT）（0.7 V），這樣就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的輸出電壓V=VD8+VD7+VBE（SAT）=15 V。當(dāng)輸出小于15 V時(shí)，Q1截止，VFB增加，SenseFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，向Buck電路電感充電；輸出高于15 V時(shí)，Q1導(dǎo)通，VFB降至VBURL以下，SenseFET開(kāi)關(guān)截止，通過(guò)Buck電路向負(fù)載供電，電路進(jìn)入間歇工作模式，使輸出電壓穩(wěn)定在15 V。

　　2.3 Buck拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)

　　Buck拓?fù)潆娐愤x用傳統(tǒng)的Buck降壓斬波電路，設(shè)計(jì)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?fù)潆娐返脑O(shè)計(jì)是根據(jù)電感和電容的儲(chǔ)能特性設(shè)計(jì)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(shí)，電感儲(chǔ)能電壓UL=Vin-Vout=L■；關(guān)斷時(shí)，二極管D導(dǎo)通，形成回路電感將導(dǎo)通時(shí)存貯的能量釋放，輸出電壓UO=UL。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)于Buck電路，導(dǎo)通時(shí)電感電壓VON=VIN-VSW-VOUT=311-1.5-15=294.5 V，關(guān)斷時(shí)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(kāi)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(guò)沖和紋波，輸出電壓過(guò)沖可以根據(jù)下列公式計(jì)算得出：

　　設(shè)計(jì)輸電電壓可以有10%的紋波存在?駐V=VOUT·10%=1.5 V，計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析、設(shè)計(jì)、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(kāi)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(shí)，實(shí)測(cè)不同負(fù)載下輸出電壓（表1）表明該開(kāi)關(guān)電源工作穩(wěn)定，該設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了理論的可行性。

　　基于FSL206MR電源芯片設(shè)計(jì)的離線式開(kāi)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(jì)采用非隔離式DC/DC變換器使得外部器件及輔助電路最簡(jiǎn)，減小元件對(duì)電路損耗。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證該開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)具有電源裝置的小型化、最簡(jiǎn)化、高效化、高經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮了FSL206MR各種電路保護(hù)功能，可靠性良好，有很好的經(jīng)濟(jì)前景。

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