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前言 為了保持競爭力，大多數制造商都設法降低其產(chǎn)品的成本，理想的做法是既降低成本，又保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。為了在工作條件不正常時(shí)不致于失效，電源往往要采用昂貴的電路保護元件。不過(guò)很多在電源中使用的電路保護措施并不明顯，因此其成本也很難簡(jiǎn)單明了地估計出。 這些隱含的保護措施采用后，電源鏈和相關(guān)元件(如開(kāi)關(guān)器件及其散熱器和鉗位電路、變壓器芯尺寸和輸出整流器與電容)的參數選取必須留出一定的裕量。把外部的電路保護器件和暗藏的保護措施除去，可以顯著(zhù)降低電源成本。但是，單純地刪除這些保護措施是不可行的，因為這樣做會(huì )損害可靠性、堅固性和/或供電安全性。然而，如果把電路保護功能集中到一個(gè)高度集成的電源變換IC上，就可以既安全地消除某些昂貴的外接分立元件，又能允許電源鏈元件的參數按照正常的輸出負載來(lái)選取。 電力線(xiàn)路過(guò)壓關(guān)斷 電力線(xiàn)路過(guò)壓關(guān)斷用于在線(xiàn)路出現浪涌時(shí)中止電源正常的工作，從而省去了MOV，可實(shí)現的成本降幅為0.04~0.12 美元。例如， Power Integration (PI)公司把過(guò)壓保護功能集成到了其多種離線(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源IC 產(chǎn)品上。當這些器件檢測到線(xiàn)路過(guò)壓情況，它們就會(huì )停止開(kāi)關(guān)動(dòng)作，直到整流后的線(xiàn)路電壓回落到該功能的解除閾值之下時(shí)為止。這一做法使得IC能抵受幅度高達其內部MOSFET最高額定值的線(xiàn)路浪涌，而無(wú)需MOV 保護。圖1 示出了一個(gè)使整流后的DC電壓限達到592V 峰值的浪涌情形。由于中止了開(kāi)關(guān)動(dòng)作，部件DRAIN 引腳上的電壓始終保持在700V以下。在供電質(zhì)量很差的國家中，常常會(huì )發(fā)生持續時(shí)間在100ms 以上的電力線(xiàn)路浪涌，分立MOSFET所能提供的毫焦級的抗雪崩電流能力或者M(jìn)OV所具備的瞬態(tài)功耗承受能力，都不足以承受持續時(shí)間如此之長(cháng)的浪涌，而過(guò)壓關(guān)斷功能相比之下則更有價(jià)值。 圖1 線(xiàn)路浪涌將使得PI器件中的過(guò)壓保護電路動(dòng)作 開(kāi)關(guān)電流敏感和限流大多數PWM 型IC對開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行檢測，這樣，當流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流過(guò)大時(shí)，就可以終止開(kāi)關(guān)循環(huán)的執行。該功能的實(shí)現一般需要外接電流敏感電阻和低通RC濾波器。大多數PI的產(chǎn)品系列采用集成MOSFET 導通電阻來(lái)作為敏感電阻。這一措施連同內置的電流敏感比較器的前沿消隱(Leading Edge Blanking ，LEB)特性，使得設計者可以省去所有外接電流敏感和調節元件，帶來(lái)的成本降幅達0.04~0.10 美元。由于省去了敏感電阻并避免了相應的傳導損耗，效率也得以提高。在可使用電流敏感變壓器的DC/DC 變換器中，成本降幅達到了0.50美元。此外，采用LEB 也使電路無(wú)需對電流敏感信號進(jìn)行濾波，從而能夠更快、更準確的中止開(kāi)關(guān)循環(huán)。因此，在沒(méi)有增加成本的情況下，增強了對MOSFET的保護。 輸出過(guò)載和開(kāi)環(huán)保護： 大多數PWM IC 遇到負載異常情況時(shí)，通過(guò)讓驅動(dòng)芯片的電壓下降到器件的欠壓閉鎖閾值之下，來(lái)中止通常的工作模式。PI的系列器件都根據從輸出引出的反饋來(lái)選通輸入芯片的電源電流(參見(jiàn)圖2)。在這種結構中，若來(lái)自輸出的反饋或者輸出調節功能喪失，將會(huì )讓芯片進(jìn)入自動(dòng)重啟模式，此時(shí)負載得到的只是滿(mǎn)輸出功率的一小部分(參見(jiàn)圖3)。這不僅大大提高了設計的承受能力，而且省去了起到輔助監控作用的限流過(guò)載保護或急速短路保護電路，節約的成本達0.05~0.20 美元。這還使得電源的輸出二極管和電容的參數只需根據正常的滿(mǎn)負載輸出功率來(lái)選取即可，從而進(jìn)一步降低了成本。 圖2 帶有光電反饋的典型電路，可以對流入芯片的電流進(jìn)行選通過(guò)熱保護 圖3 器件處于自動(dòng)重啟模式時(shí)CONTROL和DRAIN引腳處的波形 電路集成了過(guò)熱保護功能后，就可以省去熱敏電阻及其相關(guān)電路，以及安裝所花的人工費用，初步產(chǎn)生的成本下降幅度即達到0.07~0.13 美元。由于開(kāi)關(guān)在電源中常常是溫度最高的元件，所以通過(guò)片式溫度敏感電路可對整個(gè)電源實(shí)行嚴密的過(guò)熱保護。此外，如果這項功能還具有一個(gè)很寬的熱滯后窗口的話(huà)，則還可以讓PCB 板在發(fā)生故障時(shí)溫度保持在100℃以下，因而設計者就可以使用價(jià)格較為低廉的PCB 材料，這又進(jìn)一步減少了0.05~0.15 美元的成本。 參數化的溫度補償和容差控制： 一般說(shuō)來(lái)，對元件參數分布范圍的限制越松，其價(jià)格就越低。但是對于控制芯片來(lái)說(shuō)，如果放寬其參數的分布范圍，則要相應提高電源鏈器件的指標以補償這一放寬帶來(lái)的影響，其導致的成本提高，反而會(huì )抵消芯片價(jià)格的降低。例如，開(kāi)關(guān)頻率的變化以及開(kāi)關(guān)電流的極限跳變點(diǎn)(trip point)決定了電源可以承受的過(guò)載功率值。這兩個(gè)參數的容差范圍越寬，電源能提供的過(guò)載功率就越大。輸出二極管、變壓器芯、開(kāi)關(guān)元件散熱器和鉗位電路的設計參數必須根據可能的過(guò)載功率來(lái)選取，而不是僅僅根據額定的總負載功率選取。如果這些元件參數根據滿(mǎn)負載要求來(lái)選取的話(huà)，成本的節約僅有0.10~0.25 美元。一個(gè)電源芯片必須根據其關(guān)鍵性能參數的容差和溫度補償情況來(lái)評價(jià)。 結語(yǔ) 基于一片高集成度的電源變換IC來(lái)設計一個(gè)電源，可以省去某些電路保護元件和隱含的保護措施，而且其原有的保護功能并沒(méi)有被削弱，同時(shí)，其BOM 成本還可降低0.35~0.95美元。 |
