新一代機頂盒與液晶電視用的低價簡易開關電源的設計
摘要：本文主介紹用SC2618同步降壓控微制芯片與AO4812雙場效應功率集成管設計成新一代機頂盒、液晶電視(或高清晰度電視)用的低價簡易開關電源，并對SC2618芯片特征與簡易開關電源主要參數計算及PCB線路排版技術作一分析說明。
關鍵詞：PWM控制器 比較器反饋 場效應管 驅動
1、 大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關電源迫走眼前
傳統電子消費產品的AC-DC開關電源，通常需要帶有多組輸出隔離變壓器并由一片原邊電源控制器控制輸出電壓和電流，但這類多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩定的輸出電壓是通過線性穩壓管來實現。從設計與制造及使用的角度來看，比較麻煩而且成本也較高。需指出的是，其線性穩壓管只能應用于高電壓和低電流，故此種電源在應用上局限性很大，己遠遠不能適應新一代電子消費產品的需要。
由于新一代電子消費產品如機頂盒，液晶電視(或高清晰度電視)需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關電源，這樣就促使許多產品設計需采用分散式電源模式，也就是說，產品設計更傾向于選擇在市場上很容易采購到的AC-DC適配器并把多組直流電源直接安裝在系統的線路板上。
特別要說明的是，由于系統主芯片的電壓越來越低而電流越來越大，這樣就可以使越來越多的直流開關電源能出現在系統板上的新型工裝技術。
而要提供一系列價格低廉，線路簡單，性能齊全直流開關電源，其關鍵在于是如何應用低廉、簡單，性能齊全的電源控制芯片。近年來Semtech International公司的低價簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)不失為一種好的選擇，因為用該簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)只需較少外圍元器件就能設計出低電壓高效率降壓電源。那如何設計與組成？這是設計人員要解決的問題，也是本文闡述的主要內容。
1、 同步式降壓控制芯片(SC2618)簡介
SC2618芯片是滯后模式PWM控制器，可以用來設計高效率低成本開關電源的設計；該滯后模式PWM控制器允許使用陶瓷電容器，而且可以不需要補償電路和校準；內部軟啟動時的“打嗝”型短路保護可提供預防輸出短路以及相反輸入電壓序列。其同步式降壓控制芯片(SC2618)內部組成框圖見圖1所示。圖1中DL為低場效應驅動輸出；DH為高端場效應驅動輸出；BST為供電時門驅動電壓；FB為反饋；GND為模擬和功率地；Vcc為芯片電壓和低端FET驅動電壓。
SC2618組成特點：工作頻率在500KHz以上；輸入電壓從5V-12V；具有0.5A門驅動能力；內部微調頻帶間隙基準(±1%)；具有“打嗝”型短路保護和輸入電壓序列保護；6腳SOT23封裝。為此SC2618能廣泛應用于圖像電電源與嵌入式低成本高效率轉換器。
2、 用SC2618設計簡易同步降壓電源方案(Vin為5V/12V，Vout處1.8V/3.5A)
圖2為用同步式降壓控制芯片SC2618與雙場效應功率管 AO4812集成塊設計組成的機頂盒和液晶電視及其它消費電子產品所需的板上開關直流電源線路圖。
2.1電源組成
此電源的輸入電壓Vin由交流變直流適配器提供，Vin大多數為12V/5V(也有少數會用24V)，輸出電壓是1.8V，輸出電流是3.5安培。由圖所示SC2618是一個六個管腳SOT-23小封裝芯片。它能接收4.5V至14V工作電壓并有一個1.25V內部電壓基準(見圖1所示Vref=1.25V)。0.5安培的場效應管驅動能使電源的輸出電流達到10安培。由于SC2618不需要反饋補償電路，故設計人員不需要在設計電源中花許多時間計算和測試難度較高的反饋補償電路。雙場效應功率管IC2為AO4812，其參數見表1所示。
2.11電源的開關頻率Fs計算
由圖2可看到，一組分壓電阻(R6，R8)會將輸出電壓Vout信息反饋給SC2618芯片的 FB端(為SC2618內部比較器的負端-見圖1所示的比較器2的負端)。此比較器2的正端與1.25V電壓基準相連接，其圖3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形圖。如果輸出電壓Vout低于所設定的數值，高端的場效應管Q1將被導通并一直導通到輸出電壓Vout回升到設定的數值以上。同樣的道理，如果輸出電壓Vout高于用戶所設定的數值，高端的場效應管將被關斷而低端的場效應管Q2將被導通并一直導通到輸出電壓下降到設定的數值以下。這種芯片模式將會使一個降壓式電源工作在以下任何一種模式：
1) 高端場效應管導通1微秒；
2) 低端場效應管導通1微秒；
3) 高/低端場效應管各導通1微秒
由于SC2618內置高/低端場效應管最低導通時間是1微秒，電源的開關頻率可由圖4推斷出。
2.111用圖4說明該降壓式開關電源關于開關頻率Fs與占空比(D)之間的關系。
若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是1.8V，則電源的占空比(D)為0.15(1.8/12)。從圖4可看到占空比為0.15時開關頻率Fs是150KHz；若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是5V，則電源的占空比(D)為0.42(5／12)那么該電源的占空比為0.42，開關頻率Fs是420KHz。
2.112 除此以外，電源開關頻率Fs還可以通過以下二個簡單公式來計算：
*如果高端場效應管導通時間(tON)小于低端場效應管導通時間(toFF)，占空比(D)小于0.5，那么開關頻率為
Fs=D／1µs (Hz) (1)
*如果高端場效應管導通時間(tON )大于低端場效應管導通時間(toFF)，占空比(D) 大于0.5，那么開關頻率為
Fs =(1-D)／1µs (Hz) (2)
2.12芯片 SC2618工作過程-開關電源的啟動
芯片SC2618啟動過程是這樣的：一旦輸入電壓Vin接到Vcc管腳，則高端(上端)場效應管驅動引腳(DH)和低端(下端)場效應管驅動引腳(DL)一直到 Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護點(一般為4.5V)才會產生高信號。芯片SC2618內部軟啟動電流源開始向內部軟啟動電容充電，這時高端場效應管驅動引腳(DH)是低信號而低端場效應管驅動引腳(DL)是高信號。當芯片內部軟啟動電容電壓達到一定值以后，高端場效應管和低端場效應管開始交錯工作。電源輸出電壓Vout會開始慢慢地升高。
SC2618內部軟啟動時間一般為100微秒。如果Vcc上的電壓在正常工作時突然跌入芯片輸入欠壓保護點(4.5V)以下，芯片內部軟啟動電容開始放電。當芯片內部軟啟動電容電壓跌到一定值以后，高低端場效應管導通時間會慢慢地減小一直到完全關斷。
2.13關于輸出短路的保護
輸出短路保護是通過SC2618的反饋端電壓(VFB)和它的1.25V內部電壓基準電壓來實現的(見圖1下部所示)。在正常工作時如果反饋端電壓小于1.25V基準電壓200mV，SC2618立刻關斷高端場效應管同時內部軟啟動電容開始放電.如果輸出短路是發生在軟啟動過程中，必須等軟啟動結束才能徹底關斷場效應管并開始軟啟動電容放電。一旦軟啟動電容放電結束，新的一輪軟啟動又開始。
整個保護過程為：當SC2618反饋端電壓小于基準電壓200mV→場效應管關斷→軟啟動電容放電→軟啟動電容充電→場效應管導通。
3、 SC2618在寬輸入電壓時的應用線路
雖然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之間的輸入電壓，但是只要在芯片的外圍增加一個非常簡單的線性穩壓管(一個小信號晶體管和一個齊納二極管)就可以很容易地將輸入電壓的范圍升到20V以上。同時可以利用一個外圍晶體管來關斷芯片。這種電路可用在許多需要24V輸入電壓工作的消費類產品。
圖5是一個可以工作到24V輸入電壓的完整電路圖。輸入電壓可以是5V to 24V，輸出電壓是3.3V，輸出電流是3.5A。圖5中6.2V的齊納二極管將SC2618 Vcc電壓限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端場效應管的驅動電壓也在5.5V。可以通過晶體管Q3來關斷整個電源。
4、 關于功率場效應管的選擇
由于本直流開關電源是同步降壓轉換器，即有著高輸入電壓對低輸出電壓的特點，故高端場效應管導通的時間很短，低端場效應管導通的時間很長，但是低端場效應管轉換電壓幾乎為零。在這樣的應用中，柵極電容較小(內阻較大)場效應管適用于高端開關，柵極電容較大(內阻較小)場效應管適用于低端開關。在該例子中所用的場效應管是通過它的內阻(RDSON)、柵極電容／電荷和封裝熱阻 這3個參數來選擇的。利用SC2618 0.5A內置驅動器(見圖1)，一個柵極電荷為25nC的場效應管會產生大約50ns的開關升/降時間 (ts=25nC/0.5A)。ts 會在高端場效應管開關時產生開關損耗(Ps)：
Ps=Iout·Vin·ts·fosc
在圖2中，Ps是0.3W。由于在高端和低端場效應管之間無重疊傳導，流過低端場效應管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在低端場效應管導通之前導通。低端場效應管導通電壓僅為一個在漏極和源極之間二極管的電壓。低端場效應管開關損耗為零。高端和低端場效應管在導通時的損耗可下式來計算：
關鍵詞：PWM控制器 比較器反饋 場效應管 驅動
1、 大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關電源迫走眼前
傳統電子消費產品的AC-DC開關電源，通常需要帶有多組輸出隔離變壓器并由一片原邊電源控制器控制輸出電壓和電流，但這類多組輸出電源的輸出電流都比較小，穩定的輸出電壓是通過線性穩壓管來實現。從設計與制造及使用的角度來看，比較麻煩而且成本也較高。需指出的是，其線性穩壓管只能應用于高電壓和低電流，故此種電源在應用上局限性很大，己遠遠不能適應新一代電子消費產品的需要。
由于新一代電子消費產品如機頂盒，液晶電視(或高清晰度電視)需要的是能提供大輸出電流和低輸出電壓的低價高效率開關電源，這樣就促使許多產品設計需采用分散式電源模式，也就是說，產品設計更傾向于選擇在市場上很容易采購到的AC-DC適配器并把多組直流電源直接安裝在系統的線路板上。
特別要說明的是，由于系統主芯片的電壓越來越低而電流越來越大，這樣就可以使越來越多的直流開關電源能出現在系統板上的新型工裝技術。
而要提供一系列價格低廉，線路簡單，性能齊全直流開關電源，其關鍵在于是如何應用低廉、簡單，性能齊全的電源控制芯片。近年來Semtech International公司的低價簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)不失為一種好的選擇，因為用該簡易同步式降壓控制芯片(SC2618)只需較少外圍元器件就能設計出低電壓高效率降壓電源。那如何設計與組成？這是設計人員要解決的問題，也是本文闡述的主要內容。
1、 同步式降壓控制芯片(SC2618)簡介
SC2618芯片是滯后模式PWM控制器，可以用來設計高效率低成本開關電源的設計；該滯后模式PWM控制器允許使用陶瓷電容器，而且可以不需要補償電路和校準；內部軟啟動時的“打嗝”型短路保護可提供預防輸出短路以及相反輸入電壓序列。其同步式降壓控制芯片(SC2618)內部組成框圖見圖1所示。圖1中DL為低場效應驅動輸出；DH為高端場效應驅動輸出；BST為供電時門驅動電壓；FB為反饋；GND為模擬和功率地；Vcc為芯片電壓和低端FET驅動電壓。
SC2618組成特點：工作頻率在500KHz以上；輸入電壓從5V-12V；具有0.5A門驅動能力；內部微調頻帶間隙基準(±1%)；具有“打嗝”型短路保護和輸入電壓序列保護；6腳SOT23封裝。為此SC2618能廣泛應用于圖像電電源與嵌入式低成本高效率轉換器。
2、 用SC2618設計簡易同步降壓電源方案(Vin為5V/12V，Vout處1.8V/3.5A)
圖2為用同步式降壓控制芯片SC2618與雙場效應功率管 AO4812集成塊設計組成的機頂盒和液晶電視及其它消費電子產品所需的板上開關直流電源線路圖。
2.1電源組成
此電源的輸入電壓Vin由交流變直流適配器提供，Vin大多數為12V/5V(也有少數會用24V)，輸出電壓是1.8V，輸出電流是3.5安培。由圖所示SC2618是一個六個管腳SOT-23小封裝芯片。它能接收4.5V至14V工作電壓并有一個1.25V內部電壓基準(見圖1所示Vref=1.25V)。0.5安培的場效應管驅動能使電源的輸出電流達到10安培。由于SC2618不需要反饋補償電路，故設計人員不需要在設計電源中花許多時間計算和測試難度較高的反饋補償電路。雙場效應功率管IC2為AO4812，其參數見表1所示。
2.11電源的開關頻率Fs計算
由圖2可看到，一組分壓電阻(R6，R8)會將輸出電壓Vout信息反饋給SC2618芯片的 FB端(為SC2618內部比較器的負端-見圖1所示的比較器2的負端)。此比較器2的正端與1.25V電壓基準相連接，其圖3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形圖。如果輸出電壓Vout低于所設定的數值，高端的場效應管Q1將被導通并一直導通到輸出電壓Vout回升到設定的數值以上。同樣的道理，如果輸出電壓Vout高于用戶所設定的數值，高端的場效應管將被關斷而低端的場效應管Q2將被導通并一直導通到輸出電壓下降到設定的數值以下。這種芯片模式將會使一個降壓式電源工作在以下任何一種模式：
1) 高端場效應管導通1微秒；
2) 低端場效應管導通1微秒；
3) 高/低端場效應管各導通1微秒
由于SC2618內置高/低端場效應管最低導通時間是1微秒，電源的開關頻率可由圖4推斷出。
2.111用圖4說明該降壓式開關電源關于開關頻率Fs與占空比(D)之間的關系。
若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是1.8V，則電源的占空比(D)為0.15(1.8/12)。從圖4可看到占空比為0.15時開關頻率Fs是150KHz；若電源輸入電壓Vin是12V，輸出電壓是5V，則電源的占空比(D)為0.42(5／12)那么該電源的占空比為0.42，開關頻率Fs是420KHz。
2.112 除此以外，電源開關頻率Fs還可以通過以下二個簡單公式來計算：
*如果高端場效應管導通時間(tON)小于低端場效應管導通時間(toFF)，占空比(D)小于0.5，那么開關頻率為
Fs=D／1µs (Hz) (1)
*如果高端場效應管導通時間(tON )大于低端場效應管導通時間(toFF)，占空比(D) 大于0.5，那么開關頻率為
Fs =(1-D)／1µs (Hz) (2)
2.12芯片 SC2618工作過程-開關電源的啟動
芯片SC2618啟動過程是這樣的：一旦輸入電壓Vin接到Vcc管腳，則高端(上端)場效應管驅動引腳(DH)和低端(下端)場效應管驅動引腳(DL)一直到 Vcc超越SC2618的輸入欠壓保護點(一般為4.5V)才會產生高信號。芯片SC2618內部軟啟動電流源開始向內部軟啟動電容充電，這時高端場效應管驅動引腳(DH)是低信號而低端場效應管驅動引腳(DL)是高信號。當芯片內部軟啟動電容電壓達到一定值以后，高端場效應管和低端場效應管開始交錯工作。電源輸出電壓Vout會開始慢慢地升高。
SC2618內部軟啟動時間一般為100微秒。如果Vcc上的電壓在正常工作時突然跌入芯片輸入欠壓保護點(4.5V)以下，芯片內部軟啟動電容開始放電。當芯片內部軟啟動電容電壓跌到一定值以后，高低端場效應管導通時間會慢慢地減小一直到完全關斷。
2.13關于輸出短路的保護
輸出短路保護是通過SC2618的反饋端電壓(VFB)和它的1.25V內部電壓基準電壓來實現的(見圖1下部所示)。在正常工作時如果反饋端電壓小于1.25V基準電壓200mV，SC2618立刻關斷高端場效應管同時內部軟啟動電容開始放電.如果輸出短路是發生在軟啟動過程中，必須等軟啟動結束才能徹底關斷場效應管并開始軟啟動電容放電。一旦軟啟動電容放電結束，新的一輪軟啟動又開始。
整個保護過程為：當SC2618反饋端電壓小于基準電壓200mV→場效應管關斷→軟啟動電容放電→軟啟動電容充電→場效應管導通。
3、 SC2618在寬輸入電壓時的應用線路
雖然SC2618 Vcc只能接收4.5V—14V之間的輸入電壓，但是只要在芯片的外圍增加一個非常簡單的線性穩壓管(一個小信號晶體管和一個齊納二極管)就可以很容易地將輸入電壓的范圍升到20V以上。同時可以利用一個外圍晶體管來關斷芯片。這種電路可用在許多需要24V輸入電壓工作的消費類產品。
圖5是一個可以工作到24V輸入電壓的完整電路圖。輸入電壓可以是5V to 24V，輸出電壓是3.3V，輸出電流是3.5A。圖5中6.2V的齊納二極管將SC2618 Vcc電壓限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端場效應管的驅動電壓也在5.5V。可以通過晶體管Q3來關斷整個電源。
4、 關于功率場效應管的選擇
由于本直流開關電源是同步降壓轉換器，即有著高輸入電壓對低輸出電壓的特點，故高端場效應管導通的時間很短，低端場效應管導通的時間很長，但是低端場效應管轉換電壓幾乎為零。在這樣的應用中，柵極電容較小(內阻較大)場效應管適用于高端開關，柵極電容較大(內阻較小)場效應管適用于低端開關。在該例子中所用的場效應管是通過它的內阻(RDSON)、柵極電容／電荷和封裝熱阻 這3個參數來選擇的。利用SC2618 0.5A內置驅動器(見圖1)，一個柵極電荷為25nC的場效應管會產生大約50ns的開關升/降時間 (ts=25nC/0.5A)。ts 會在高端場效應管開關時產生開關損耗(Ps)：
Ps=Iout·Vin·ts·fosc
在圖2中，Ps是0.3W。由于在高端和低端場效應管之間無重疊傳導，流過低端場效應管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在低端場效應管導通之前導通。低端場效應管導通電壓僅為一個在漏極和源極之間二極管的電壓。低端場效應管開關損耗為零。高端和低端場效應管在導通時的損耗可下式來計算：
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