摘 要 介绍SG6841的基本功能电路,并且对以SG6841为核心的开关电源电路的基本原理和工作波形进行较详细的阐述,并提出开关电源的干扰抑制措施。
关键词 SG6841芯片;开关电源;干扰抑制
中图分类号 TN94 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)112-0101-02
在当今这个信息时代,众多的电子设备中,开关电源的应用很普遍。它有很多优点:稳压范围宽,在一定范围内输出电压与输入电压变化无关;采用开关振荡的工作方式,效率高,热损特别少,发热低。本文介绍以SG6841为核心的一种新型开关电源。
1 开关电源的基本原理
开关电源:就是通过用电子线路组成开关式(方波)震荡电路来达到对电能的转换。本设计采用脉宽调制型(PWM)开关电源。
对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由公式计算,即:
Uo=Um×T1/T
式中:Um —矩形脉冲最大电压值;
T—矩形脉冲周期;
T1—矩形脉冲宽度。
从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。
由PWM IC控制开关管的导通与否,配合次级侧的二极管和电容,即可得到稳定DC电压的输出。Ui为含有一定交流成份的直流电压,由开关功率管斩波和高频变压器降压,将储存于在变压器的能量传递给次级侧,转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。此外改变变压器初、次级的圈数,就可以得到想要的DC电源。PWM控制电路是这类开关电源的核心,它通过取样反馈闭环回路,调整高频开关元件的开关时间比例即占空比,以达到稳定输出电压的目的。
2 SG4681简介
2.1 SG4681引脚功能
设计方案采用了芯片SG4681。常见的SG6841有8个引脚、有DIP和SO两种封装,其各引脚功能分别如下所示: GND:接地; FB:反馈电压输入端,用于提供PWM调节信息,PWM占空比就是由它控制;Vin:启动电流输入端,SG6841开始工作必须在该端要提供一个启动电压;RI:参考设置端,通过连接一个电阻接地来为SG6841提供一个恒定的电流,改变电阻阻值将改变PWM的频率;RT:温度保护端,该端输出一个恒定的电流,在该端接一NTCR接地来传感温度,当该端电压下降到一定值时会启动过温保护。在本设计中,该功能被用于高压保护;Sense:电流传感端。当该端电压达到一个阈值时芯片会停止输出,从而实现过流保护;VDD:电源供电端; Gate:PWM脉冲输出端。图腾柱(即推拉输出电路)输出极驱动功率开关管。
2.2 SG4681的功能电路
1)振荡器。SG6841的PWM频率范围为50KHz~100KHz。RI端通过连接一个电阻Ri接地来为SG6841提供一个恒定的电流,改变电阻阻值将改变PWM的频率。在本设计中,取Ri=24k,SG6841的PWM频率为70.42kHz。
2)SG6841的欠压锁定。SG6841采用了欠压锁定比较器来保证输出级被驱动之前,集成电路已完全可用。欠压锁定回路其实质是一个滞回比较器,以防止在通过它们各自的门限时产生错误的输出动作。它的开启电压为16V,关闭电压为10V。在启动过程中,比较器反向输入端为16V,当VDD﹤16V时,比较器输出为低电平,SG6841无法工作。当VDD升到16V时,欠压锁定器输出为高电平,SG6841正常工作,同时MOS管导通,使比较器反向输入端为10V。当VDD下降至10V时,欠压锁定器的输出回到低电平,整个电路停止工作。SG6841的7脚端设置了一个32V的齐纳二极管,保证内部电路绝对工作在32V以下,以防电压过高损坏芯片。
3)SG6841的输出部分。SG6841的8脚为输出脚,它是一个单图滕柱输出级,专门设计用来直接驱动功率MOSFET的,具有降低热损耗、提高效率和增强可靠性的作用。在芯片内部有一18V的稳压管与Gate端相连使输出电压钳位在18V,可保护MOSFET免被击穿。通过控制PWM脉冲的上升与下降时间,可有效减少开关噪声,提高电源的EMI,并提供稳定的MOSFET管Gate极驱动。在1.0nF负载时,它能提供高达±1.0A的峰值驱动电流和典型值为250ns的上升时间和50ns的下降时间。还附加了一个内部电路,使得任何时候只要欠压锁定有效,输出就进入灌模式,这个特性使外部下拉电阻不再需要。
4)SG6841的电流取样比较器和脉冲调制锁存器。SG6841作为电流模式控制器工作,输出开关导通由振荡器开始振荡起始,当峰值电感电流到达FB反馈端电平时终止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器-脉宽调制锁存配置确保在任何一定的振荡周期内,仅有一个单脉冲出现在输出端。
电感电流通过插入一个与输出开关Q901的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs转换成电压。此电压由电流取样输入端Pin6Sense监视,并与来自Pin2FB端电平相比较。通常取样电阻Rs为一小电阻。在正常的工作条件下,峰值电感电流由管脚1上的电压控制,其中:Ipk=(VFB- 1.0V)/3RS。
5)SG6841的启动与供电。SG6841需要在启动时给Pin3Vin提供一30μA的启动电流以使芯片进行有效的自举。在电路中,将Pin3通过两个1MΩ的电阻接至PFC级的DC输出端,便可在AC输入90V~264V的范围内实现SG6841的有效启动。在SG6841正常工作后,其Pin7VDD端必须提供10V~30V电压为芯片供电。
6)SG6841的高压保护电路。SG6841的Pin5 RT端恒定输出一电流IRT:IRT=2×(1.3V/Ri)。RT端可串联一负温度系数的热敏电阻(NTCR)接地,RNTC随温度上升而降低,这时当IRT×RNTC<0.65V时启动过温保护功能。当RT端电压略低于0.65V,PWM脉冲的占空比会减少,从而降低电源输出电压来降低温度;当环境温度过高,RT端电压大大低于0.65V时,PWM脉冲的占空比会减少至零,从而使电源完全停止输出。同时我们可以利用SG6841的该功能实现电源的高压保护。
当电网电压升高超过最大值时,自馈线圈输出的电压也将升高。若电压超过20V,此时ZD901被击穿,R912就会产生压降。当这个压降有0.6V时将使Q902导通,拉低Q901的基极电位,使Q901也导通,这样SG6841 Pin5通过D903、Q903直接接地,使SG6841迅速关断脉冲输出。同时Q901的导通也拉低了输入到SG6841 Pin7的电压,使SG6841停止工作。
7)SG6841的待机工作模式。当低负载和无负载情况下,FB端电压会有所降低时,当其低于一个阈值电压时,会进入节能模式,SG6841的PWM工作频率会迅速降低至10kHz左右,此时仍有稳定的12V电压输出。
3 基于SG6841的开关电源的工作过程
在开关管导通的瞬间,电容C906通过R与开关管放电,放电的时间常数г=RC906,为了减轻开关管在完全导通时所承受的电流,应在开关管开启的时间Ton内放掉C906上的大部分能量。下图分别为输入电压为AC 90V/60Hz和264V/50Hz时的Gate端输出PWM脉冲的波形。在输入AC电压不同时,脉冲频率几乎不变,接近70KHz,但占空比随输入电压的不同而不同,开关电压正是利用这种脉宽调制的方式在较广的输入电压范围内实现12V的稳定输出。输入电压为AC 90V/60Hz时占空比为29.28% ,而264V/50Hz时的占空比16.55% ,
可见输入电压大时开关管的导通时间大,从而变压器次级输出电压占空比更小。
由于开关功率管Q901功耗较大,为防止它们被在高温条件下连续工作积累的热量烧毁或工作异常,需加一散热片。
基于SG6841的开关电源的整流滤波回路如图7所示。在变压器的输出端设有输出整流滤波回路,对直流变换后的电压进行整流与滤波,使之得到稳定的输出。因为整流二极管D存在着反向恢复时间,在导通瞬间会引起较大的尖峰电流,它不仅增加了D本身的功耗,而且使开关管流过过大的浪涌电流,增加了开通瞬间的功耗。一般采用快速恢复二极管或肖特基二极管作为整流二极管。在低电压、大电流输出的开关电源中整流二极管的功耗是其主要功耗之一。因此,当U0≤8V时,一般选用肖特基二极管来整流,其优点是,导通电压Uon≈0.4~0.6V,为一般PN结的一半,反向恢复快且有足够的反向电压。当U0>8V时,一般选用快速恢复二极管整流,它的反向耐压可达到数百伏。同时,D的电流平均值应大于输出电流。依据上述的要求,采用了两个同样的二极管集成块。它们分别由两个规格为10A/100V的快速恢复二极管并联而成。这样可使整流达到较佳的效果。
当输出整流二极管两端加反压时,由于二极管中贮存电荷,也将有较大的浪涌电流产生,因此在二极管及输出电压中将有很大的噪声。在整流二极管上并接一RC(R919、R920、C913)回路,可吸收上述干扰。
4 基于SG6841的开关电源的干扰抑制措施
开关电源虽然有许多优点并得到广泛的应用,但由于它具有严重的射频干扰,在线性电路中的应用一直受到很大的限制, 开关电源是把工频交流整流为直流后,再通过开关变为高频交流,其后再整流为稳定直流的一种电源,这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形产生的噪声。在输入侧泄露出去就表现为传导噪声和辐射噪声,在输出侧泄露出去就表现为纹波。同时外部噪声会进到电子设备中,而供给负载的电源噪声也会泄露到外部。若电源线中有噪声电流通过,电源线就相当于天线向空中辐射噪声。而这些噪声都会影响设备的正常工作。要想使其得到更广泛的应用,满足电磁兼容性的有关指标,就需要有效地抑制开关电源的干扰。
在开关电源的输入侧要介入电容与电感构成的滤波器,用于抑制交流电源产生的EMI,而该滤波器也称为电磁兼容(EMI)滤波器。
输出端的干扰抑制,主要也是靠高频滤波器。
从空间传入的干扰称为辐射干扰,一般是指耦合干扰,即干扰能量通过空间介质进行近场感应。由于开关电源一般工作在低压大电流情况下,因而磁场干扰大于电场干扰。主要由开关变压器的漏感、开关功率管在开关转换时的大电流脉冲、开关二极管反向恢复的硬特性等引起。
辐射干扰的抑制主要靠屏蔽。对电场可采用导电良好的材料,而磁场屏蔽则应采用导磁率较高的材料。在本文中就不作详细论述。
抑制干扰最有效的方法,是尽量减少干扰源的干扰能量。对开关电源变压器要减少其漏感,并选择开关参数优良的晶体管和软恢复的开关二极管。
参考文献
[1]杨旭.开关电源技术.机械工业出版社,2003,11.
[2]孙启林.新型开关电源优化设计与实例详解全书.北京工业大学出版社,2006.
作者简介
苏宏艮(1963年—),男,湖南常德人,长沙民政职业技术学院电子信息工程系,副教授,从事应用电子技术研究。
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