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具有低功耗待機和PFC功能的開關電源控制器
摘要：TDA16846-2和TDA16847-2是英飛凌公司生產的改進型開關電源(SMPS)控制器芯片。文中介紹了其主要特點，重點介紹了基于TDA16846-2的彩電SMPS電路工作原理。關鍵詞：SMPS；控制器；TDA168460-2/TDA16847；PFC
１概述
英飛凌(Ｉｎｆｉｎｅｏｎ)公司推出的ＴＤＡ１６８４６和ＴＤＡ１６８４７開關電源控制器自投放市場以來，在ＴＶ、ＶＣＲ、ＳＡＴ接收機及ＰＣ監視器等ＳＭＰＳ中獲得了廣泛應用。目前對這兩種控制器進行了改進，并將改進和創新后的器件稱為２型或第二代產品，型號分別為ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２是支持低功率待機和功率因數校正?ＰＦＣ?的ＳＭＰＳ控制器，可用于固定頻率ＰＦＣ或同步模式反激式變換器中，該產品既可以驅動功率ＭＯＳＦＥＴ，也可以驅動雙極型功率器件。ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２在輕載下具有低功耗性能，其開關頻率可以隨負載減輕而逐步降低。
２ＴＤＡ１６８４６－２／４７－２的結構特點
ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２采用１４腳Ｐ－ＤＩＰ－１４－３封裝，其引腳排列如圖１所示。圖２是這兩種芯片的內部結構圖。
這兩種器件的不同點是ＴＤＡ１６８４６－２的８腳不接，而ＴＤＡ１６８４７－２的８腳為暫態高功率電路的電源功率管理輸出（該腳通過一只電容和一個ＲＣ電路與地相連)。兩種器件的引腳功能如表１所列。
表1引腳功能
引腳符號
功能
1OTC內置截止時間電路，該腳與地之間連接RC電路，決定振鈴抑制時間和待機頻率2PCS初級電流模擬（檢測）3RZ1調整和過零信號輸入4SRC連接軟啟動和控制電壓調節電容器5OC1光耦合器輸入6FC2不連接（TDA16846-2）/該腳電壓大于1，2V，SMPS截止）7SYN同步輸入8N.C./PMO不連接（TDA16846-2）/暫態高功率電路功率管理輸出（TDA16847-2）9REF參考電壓和電流10FC1故障比較器1輸入（該腳電壓大于1V,SMPS截止）11PVC初級電壓檢測12GND地13OUTMOSFET柵極驅動輸出14VCC電源電壓
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２除具有軟啟動、低功耗、低啟動電流及欠壓／過壓保護、電流限制／短路保護及靜電放電?ＥＳＤ?保護功能外，還具有如下主要特點：
●帶有ＰＦＣ，并采用電荷泵電路；
●頻率隨負載減輕可連續降低，在待機模式下，頻率可調至２０ｋＨｚ；
●可在固定頻率或同步模式下操作；
●帶有臨時高功率電路（ＴＨＰＣ)，具有電源管理功能(僅ＴＤＡ１６８４７－２)。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２的５腳（ＯＣＩ）輸入電壓范圍擴大到０Ｖ，該腳與地之間不再需要連接電阻；７腳（ＳＹＮ）改進了啟動特性，阻止了變壓器飽和；１１腳（ＰＶＣ）通過加入尖峰信號消隱，提高了抗噪擾能力；１３腳（ＯＵＴ）減小了截止態輸出電壓電平；１４腳（ＶＣＣ）通過尖峰消隱，改善了抗噪性能。
與先前的ＴＤＡ１６８４６／ＴＤＡ１６８４７比較，ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２除進一步強化了低功率待機功能外，還在抗噪性能方面具有明顯改善。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２支持低功率待機功能，在彩電等應用系統中具有重要意義。美國“能源之星”等標準要求電視機的待機功耗不大于３Ｗ，根據中國節能產品認證中心?ＣＰＣＥ?抽樣調查，國產彩電待機功耗低于３Ｗ的只占被測彩電總量的１３．４％，而９Ｗ以上的卻占３４．８％。目前待機功耗低于３Ｗ的國產彩電系列品種雖有較大增加，但距全部實現低于３Ｗ的目標尚有一定距離。使用ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２設計的彩電ＳＭＰＳ可以滿足低待機功耗的要求，而且可以降低成本。
圖2
３應用電路及工作原理
用ＴＤＡ１６８４６－２作控制器的ＳＭＰＳ電路如圖３所示。為執行ＰＦＣ，該電路在橋式整流器與１５０μＦ的濾波電容Ｃ０７之間插入了由電感Ｌ０８、二極管Ｄ０８和電容Ｃ０８組成的電荷泵電路，這樣配合功率開關(Ｔ０１），就可在橋式整流器輸入端產生接近正弦波的ＡＣ電流，且與ＡＣ線路電壓接近同相位，從而使線路功率因數(ＰＦ）遠遠大于０.９０，電流總諧波失真(ＴＨＤ）低于２０％。
３．１啟動特性
ＳＭＰＳ加電之后，由于濾波電容Ｃ０７正極上有直流干線電壓，所以與ＩＣ１２腳連接的電阻Ｒ２２將有電流通過。該電流從ＩＣ１的２腳流入，經２腳與１４腳內部連接的二極管?參見圖２?對１４腳外部電容Ｃ２６充電。一旦Ｃ２６上的充電電壓達到１５±０．５Ｖ的導通電平以上時，芯片開始工作。器件１４腳上Ｖｃｃ導通電流典型值為５ｍＡ，通過Ｃ２６放電使１４腳上的電壓下降，在尚未降至欠壓關斷門限時，變壓器的輔助繞組(７Ｔ）將通過ＩＣ１４腳外部二極管Ｄ２６對芯片提供所需的電流。當ＩＣ在固定頻率下工作時，為防止在啟動期間出現多重脈沖，可在ＩＣ１的３腳脈沖電壓超過２．５Ｖ門限之前，使ＩＣ１工作于自由振蕩(ｆｒｅｅｒｕｎｎｉｎｇ）模式。
３．２初級電流模擬／電流限制
電路中ＩＣ１的２腳外部電阻Ｒ２２和電容Ｃ２２用于產生一個與功率晶體管Ｔ０１電流成正比的電壓。在Ｔ０１截止時，腳２上電壓為１．５Ｖ，這樣當Ｃ２２通過Ｒ２２被充電時，Ｔ０１將處于導通狀態。此時腳２上的電壓Ｖ２可表示為：
Ｖ２＝１．５Ｖ＋ＬＰＩＰ／（Ｒ２２Ｃ２２）
式中，ＬＰ為變壓器初級繞組電感，ＩＰ為通過功率晶體管的電流。
Ｖ２一般施加到ＩＣ２腳內的導通時間比較器的同相輸入端，并與反相輸入端上的控制電壓比較。如果Ｖ２超過控制電壓，驅動器阻斷，以起到電流限制作用。控制電壓最大值是ＩＣ１內的５Ｖ參考電壓。功率晶體管的最大電流ＩＰ(ｍａｘ）為：
ＩＰ(ｍａｘ）＝[(５Ｖ－１．５Ｖ）Ｒ２２Ｃ２２]／ＬＰ
控制電壓可由ＩＣ１內的誤差放大器、光耦合器或ＩＣ１腳１１上的電壓(Ｖ１１）來決定。
圖3
３．３折回(ＦｏｌｄＢａｃｋ）點校正
ＩＣ１腳１１（ＰＶＣ)上的電壓Ｖ１１可從連接到ＤＣ總線與地之間的電阻分壓器（Ｒ２３與Ｒ２４)上獲得。如果經整流的總線電壓升高，功率晶體管的最大電流ＩＰ（ｍａｘ)將減小。實際上，最大電流ＩＰ（ｍａｘ)是獨立的，與ＤＣ總線電壓無關。可表示為：
Ｉｐ（ｍａｘ)＝[（４Ｖ－Ｖ１１／３)Ｒ２２Ｃ２２]／Ｌｐ
３．４截止時間電路?ＯＴＣ?
ＩＣ１腳１（ＯＴＣ)外部與地之間連接的Ｒ３０和Ｃ３０用于組成ＲＣ并聯網絡。當ＩＣ１驅動器關斷時，內部電流源首先用０．５ｍＡ的電流對腳１外部電容Ｃ３０充電。一旦腳３（ＲＺＩ)上電壓達到２．５Ｖ，充電電流將達到１ｍＡ，直到Ｃ３０上的電壓被充電到３．５Ｖ為止。Ｃ３０的充電時間約為τ＝（Ｃ３０×１．５Ｖ)／１ｍＡ。
當Ｃ３０上的電壓達到３．５Ｖ以后，內部電流源將被切斷，Ｃ３０通過Ｒ３０放電。當ＩＣ１腳１上的電壓施加到內部截止時間比較器時，比較器的另一個輸入就是控制電壓。當截止時間比較器輸出高電平且腳３上的電壓低于２５ｍＶ時，內部導通時間觸發器置位，以保證功率晶體管在最小的電壓時接通。如果沒有過零信號則進入ＩＣ１腳３，那么，在腳１上的電壓低于１.５Ｖ之前，功率晶體管將經過一段延時之后接通。只要腳１上電壓高于被限制的控制電壓，導通時間觸發器就會截止，以抑制腳３上不適當的過零信號。而一旦控制電壓低于２Ｖ，關斷時間將達到恒定的最大值(≈０．５６Ｒ３０Ｃ３０）。表２列出了控制電壓與輸出功率及截止時間的關系。
表2控制電壓與輸出功率、截止時間關系
控制電壓輸出功率截止時間1.5～2V低不變（達最大值）2～3.5V中減小3.5～5V高自由振蕩
實際上，變換器開關頻率是輸出功率的函數。
ＴＤＡ１６８４６－２的負載從屬頻率曲線如圖４所示。
３．５誤差放大器／軟啟動
ＩＣ１的（ＲＺＩ)３腳是誤差放大器和過零信號輸入，（ＳＲＣ)４腳是控制電壓輸入。誤差放大器的同相輸入端是５Ｖ參考電壓。ＩＣ１腳３上的輸入信號可從變壓器輔助繞組經Ｒ３８和Ｒ２９組成的電阻分壓器獲得。如果腳３上的輸入脈沖高于５Ｖ門限時，腳４上的控制電壓將被拉低。因此，腳４與地之間連接的電容Ｃ２５可用于決定控制電壓的控制速度和軟啟動持續時間。
３．６固定頻率與同步化操作
在圖３所示的應用電路中，由于ＩＣ１的７腳與９腳（５Ｖ參考電壓輸出)是連接在一起的，故ＩＣ１工作在自由振蕩調節模式。
若要求ＩＣ１在固定頻率下操作時，腳７與地之間必須連接并聯ＲＣ網絡（Ｒｏｓｃ與Ｃｏｓｃ)，此時，其開關頻率ｆｓｗ將由Ｒｏｓｃ與Ｃｏｓｃ設定：
ｆｓｗ≈１．２／Ｒｏｓｃ·Ｃｏｓｃ。
因此，當Ｒｏｓｃ＝２０ｋΩ、Ｃｏｓｃ＝４７０ｐＦ時，ｆｓｗ＝８８ｋＨｚ。
欲使ＩＣ１工作在同步模式，腳７上加入的同步信號頻率必須高于振蕩器的頻率。
ＴＤＡ１６８４７－２的應用電路與ＴＤＡ１６８４６－２的應用電路相比，除ＴＤＡ１６８４７－２的８腳外部與地之間需要連接一只１００ｐＦ的電容及ＲＣ?Ｒ＝１ＭΩ，Ｃ＝４．７μＦ?電路外，其它部分幾乎完全相同。
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