摘要:為了提高電源的穩(wěn)定性,降低故障率,同時又能簡化電路,節(jié)省成本,介紹一種新型電源集成塊ICE2A165,利用ICE2A165設計了一款開關電源。ICE2A165內合場效應開關管,可以直接激勵開關變壓器工作,再輔以精密三端比較器和光電耦合器就構造出了高性能的開關電源。通過合理選擇外部元件的參數(shù),可以使開關電源既有較寬的穩(wěn)壓范圍,又有比較靈敏的保護特性。這樣既拓寬了電源對市電的適用能力,又降低了故障幾率。實踐表明,基于ICE2A165的開關電源能在110~240V交流環(huán)境中穩(wěn)定輸出+5 V和+12V,長時間工作,電路也非常穩(wěn)定可靠。
ICE2A165是一種新型低碳電源IC(集成塊),而且有著眾多的姊妹芯片,利用ICE2A165或其姊妹芯片可以設計出各種功率開關電源,這些開關電源可以用于數(shù)字電視機頂盒、影碟機、電源適配器、噴黑打印機、掃描儀等設備中。
1 ICE2A165介紹
1.1 內部結構
ICE2A165是德國Infineon公司推出的電源IC,其內部結構如圖1所示,它內含場效應開關管、門驅動器、振蕩器、電源管理模塊、保護單元、限流電路等。具有外圍元件少、啟動電流?。?lt;55μA)、穩(wěn)壓范圍寬、保護功能全等特點。
圖1 ICE2A165內部結構
1.2 引腳功能
1腳:軟啟動端。外接軟啟動電容,由于電容的充電效應,使得電路工作后,1腳電壓逐步上升,開關脈沖的寬度由窄變寬,輸出電壓由小增大,逐步達到穩(wěn)定值。軟啟動特性如圖2所示,當1腳電壓Us達到5.3 V時,軟啟動結束,開關管柵極脈沖uG的寬度達到穩(wěn)定值。軟啟動時間由1腳外部電容的容量來決定,可按下式進行計算。
T=1.69 Rss·Css (1)
式(1)中,T為軟啟動時間,Rss為軟啟動電阻的阻值,在常溫下,其值為50 kΩ,Css為1腳外部電容的容量。例如,當1腳外部電容的容量為10 nF時,軟啟動時間為0.85 ms左右。由于采用軟啟動,可以減小開機瞬間電源對負載的沖擊,有利于延長電源和負載的壽命。
圖2 軟啟動特性
2腳:反饋端,用于穩(wěn)壓控制。該腳電壓越低,開關管飽和時間就越短,輸出電壓也就越低;若該腳電壓越高,開關管飽和時間就越長,輸出電壓也越高。當穩(wěn)壓環(huán)路開路或負載過載時,2腳電壓會達到4.8 V以上,保護電路被激活,開關管截止,電路進入保護狀態(tài)(屬自動重啟模式)。
3腳:內部開關管的源極,兼源極電流檢測。當該腳電壓超過1V,且持續(xù)200ns時,限流電路工作,使開關管提前截止,以限止源援電流的上升,防止開關管損壞。
4腳、5腳:內部開關管漏極,與開關變壓器初級相連。
6腳:空腳。
7腳:內部電路供電端。該腳電壓達到13.5 V時,內部電路啟動。電路啟動后,只要該腳電壓保持在8.5 V以上,電路將繼續(xù)工作。若該腳達到l6.5 V以上時,過壓保護電路被激活,開關管截止,電路進入保護狀態(tài)(屬自動重啟模式),此時,7腳電壓大幅度擺動。
8腳:接地端。
ICE2A165有多個姊妹芯片,它們的內部結構及引腳功能均相同,主要參數(shù)如表1所示。表中,P0表示帶6 cm2散熱片時的最大輸出功率;ID表示開關管的最大電流;VDS表示開關管的耐壓;fn表示援蕩器正常工作時的振蕩頻率;fs表示振蕩器待機時的振蕩頻率;RDS表示開關管的導通電阻。在滿足電路要求的前提下,這些芯片可以相互替代。芯片的過熱保護點都為140℃(屬自動重啟模式)。
表1 ICE2A165的姊妹芯片
1.3 封裝形式
ICE2A165及其姊妹芯片均采用PG-DIP-8-6封裝形式,其外形及尺寸如圖3所示。
圖3 PG-DIP-8-6封裝
2 應用電路設計
利用ICE2A165設計出的開關電源如圖4所示,該電源能輸出+5V和+12V直流電壓。ICE2A165無需帶散熱片,開關變壓器選用MKB28-818。
圖4 ICE2A165應用電路
2.1 交流輸入及整流濾波電路
通電后,220 V市電經(jīng)電源開關SW、保險管F1、互感濾波器L1送到橋式整流電路,由VD1~VD4進行整流,再由C3濾波,得到300 V左右的直流電壓。
因電源功率不大,保險管選用0.5~0.63 A即可;采用一節(jié)互感濾波器來濾除電網(wǎng)中的干擾,L1選用LT028、UU9.8等型號;整流二極管VD1~VD4選用1N4007(整流二極管上無需并聯(lián)0.01μF的電容),C3選用33~100 μF.
2.2 ICR2A165的7腳外部電路
7腳外接啟動電路和補給供電電路。通電后,C3上的300V電壓經(jīng)啟動電阻R1、R2對電容C5充電,當C5上的電壓達到13.5 V時,內部電路啟動,ICE2A165開始工作,內部開關管隨即進入開關工作狀態(tài)。
電路啟動時,ICE2A165的7腳索取的電流小于55μA,電路工作后,7腳索取的電流達5 mA,若此時再由啟動電阻R1、R2來給7腳供電,則無法滿足7腳的需求,因此電路中應設補給供電電路。補給供電電路由開關變壓器的3~4繞組、D6、R3等元件構成。電路工作后,開關變壓器3~4繞組上的脈沖電壓經(jīng)D6整流,再由R3和C5濾波后得到14 V左右的直流電壓給7腳供電,以滿足內部電路的要求。
R1和R2的總阻值在800~1 000 kΩ之間,C5的容量一般在33~82μF,R1、R2、C5的取值不能太大,否則會導致電路啟動困難,甚至不能啟動。7腳的正常工作電壓應設計在12~14 V,若太低,會使過壓保護變得不靈敏;若太高,又會使過壓保護變得太靈敏。R3的值一般在10 Ω以下即可。
2.3 穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓取樣點設在主電壓+5 V輸出端,由精密型三端比較器IC2(TL431)和光電耦合器IC1(PC817)配合IC3內部電路來完成穩(wěn)壓控制,它能將取樣點的電壓穩(wěn)定在U0上,U0的大小可由式(2)計算。
式(2)中,VREF為TL431內部的基準電壓,等于2.5 V,R11和R10分別代表R11和R10的阻值,若將圖中的電阻阻值代入式(2)中,可以算出U0=5V.另外,從式(2)中還可發(fā)現(xiàn),通過改變R11和R10的阻值就可對輸出電壓的高低進行設計。
穩(wěn)壓過程是這樣的:當某種原因引起各路輸出電壓升高時,+5 V電壓也必升高,經(jīng)R11和R10分壓取樣后,使IC2的1腳電壓上升,IC2導通增強,光耦IC1內部發(fā)光二極管發(fā)光增強,光電三極管導通增強(內阻變?。?,從而使IC3的2腳電壓降低,經(jīng)內部電路處理后,進麗使內部場效應開關管飽和時問縮短,開關變壓器儲能減少,各路輸出電壓下降,達到穩(wěn)壓的目的。如果輸出電壓降低,則穩(wěn)壓過程與上述過程相反。
值得注意的是,在設計電路時,取樣點一定要設在主電壓輸出端上,并根據(jù)主電壓的大小要求來確定R10和R11的值,R10和R11一定要選用精密電阻,誤差在1%以內。R5的取值范圍應為0.3~1 Ω,R5越小,電源的穩(wěn)壓范圍就越寬,但內部開關管的功耗會加大,過流保護靈敏度會變差。在交流220 V環(huán)境下,R5取0.47 Ω比較合適。
2.4 反峰吸收電路
在ICE2A165內部開關管截止瞬間,開關變壓器初級繞組會產(chǎn)生反峰電壓,為了防止反峰電壓擊穿開關管,必須在開關變壓器初級繞組上并聯(lián)皮峰吸收電路,即R4、C4和VD6.VD5一定要選用高壓快恢復管,如RF107、RGF10M等,C4的耐壓必須在1 kV左右,R4的功率須在1 W以上。
2.5 直流輸出電路
本電源輸出+5 V、+12 V和-12 V 3路直流電壓。+5 V為主電壓,向負載提供的電流較大,一般用3 A整流二極管進行整流,如1N5821、1N5822等,濾波電容的容量也選擇得比較大。+12 V和-12 V為副電壓,向負載提供的電流較小,一般用1.5 A整流二極管進行整流,如HER152、HER153、HER154等,濾波電容的容量也適當小一些。
3 結束語
ICE2A165及其姊妹芯片是一類非常完美的新型電源集成塊,因其內部包含了開關脈沖發(fā)生器和開關管,故外部電路比較簡單,加上具有完善的保護功能,所以穩(wěn)定性很好,故障率極低。實踐表明,基于ICE2A165的開關電源具有極高電壓穩(wěn)定性,當交流電在110~220 V之間波動時,輸出電壓紋絲不動。在+5 V輸出端接上5 Ω負載,連續(xù)通電24小時,ICE2A165上也無明顯溫升,電路運行十分穩(wěn)定??梢哉fICE2A165是設計中功率開關電源的首選芯片,它必將受到廣大電子工作者的青睞,并具有廣闊的應用前景。
2次