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具有低功耗待機(jī)和PFC功能的開關(guān)電源控制器
摘要：TDA16846-2和TDA16847-2是英飛凌公司生產(chǎn)的改進(jìn)型開關(guān)電源(SMPS)控制器芯片。文中介紹了其主要特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了基于TDA16846-2的彩電SMPS電路工作原理。關(guān)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(guān)電源控制器自投放市場(chǎng)以來(lái)，在ＴＶ、ＶＣＲ、ＳＡＴ接收機(jī)及ＰＣ監(jiān)視器等ＳＭＰＳ中獲得了廣泛應(yīng)用。目前對(duì)這兩種控制器進(jìn)行了改進(jìn)，并將改進(jìn)和創(chuàng)新后的器件稱為２型或第二代產(chǎn)品，型號(hào)分別為ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２是支持低功率待機(jī)和功率因數(shù)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(chǎn)品既可以驅(qū)動(dòng)功率ＭＯＳＦＥＴ，也可以驅(qū)動(dòng)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(guān)頻率可以隨負(fù)載減輕而逐步降低。
２ＴＤＡ１６８４６－２／４７－２的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
這兩種器件的不同點(diǎn)是ＴＤＡ１６８４６－２的８腳不接，而ＴＤＡ１６８４７－２的８腳為暫態(tài)高功率電路的電源功率管理輸出（該腳通過(guò)一只電容和一個(gè)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(hào)
功能
1OTC內(nèi)置截止時(shí)間電路，該腳與地之間連接RC電路，決定振鈴抑制時(shí)間和待機(jī)頻率2PCS初級(jí)電流模擬（檢測(cè)）3RZ1調(diào)整和過(guò)零信號(hào)輸入4SRC連接軟啟動(dòng)和控制電壓調(diào)節(jié)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(tài)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(jí)電壓檢測(cè)12GND地13OUTMOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出14VCC電源電壓
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２除具有軟啟動(dòng)、低功耗、低啟動(dòng)電流及欠壓／過(guò)壓保護(hù)、電流限制／短路保護(hù)及靜電放電?ＥＳＤ?保護(hù)功能外，還具有如下主要特點(diǎn)：
●帶有ＰＦＣ，并采用電荷泵電路；
●頻率隨負(fù)載減輕可連續(xù)降低，在待機(jī)模式下，頻率可調(diào)至２０ｋＨｚ；
●可在固定頻率或同步模式下操作；
●帶有臨時(shí)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(kuò)大到０Ｖ，該腳與地之間不再需要連接電阻；７腳（ＳＹＮ）改進(jìn)了啟動(dòng)特性，阻止了變壓器飽和；１１腳（ＰＶＣ）通過(guò)加入尖峰信號(hào)消隱，提高了抗噪擾能力；１３腳（ＯＵＴ）減小了截止態(tài)輸出電壓電平；１４腳（ＶＣＣ）通過(guò)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(jìn)一步強(qiáng)化了低功率待機(jī)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(jī)功能，在彩電等應(yīng)用系統(tǒng)中具有重要意義。美國(guó)“能源之星”等標(biāo)準(zhǔn)要求電視機(jī)的待機(jī)功耗不大于３Ｗ，根據(jù)中國(guó)節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心?ＣＰＣＥ?抽樣調(diào)查，國(guó)產(chǎn)彩電待機(jī)功耗低于３Ｗ的只占被測(cè)彩電總量的１３．４％，而９Ｗ以上的卻占３４．８％。目前待機(jī)功耗低于３Ｗ的國(guó)產(chǎn)彩電系列品種雖有較大增加，但距全部實(shí)現(xiàn)低于３Ｗ的目標(biāo)尚有一定距離。使用ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２設(shè)計(jì)的彩電ＳＭＰＳ可以滿足低待機(jī)功耗的要求，而且可以降低成本。
圖2
３應(yīng)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(zhí)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(guān)(Ｔ０１），就可在橋式整流器輸入端產(chǎn)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(shù)(ＰＦ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于０.９０，電流總諧波失真(ＴＨＤ）低于２０％。
３．１啟動(dòng)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(guò)。該電流從ＩＣ１的２腳流入，經(jīng)２腳與１４腳內(nèi)部連接的二極管?參見圖２?對(duì)１４腳外部電容Ｃ２６充電。一旦Ｃ２６上的充電電壓達(dá)到１５±０．５Ｖ的導(dǎo)通電平以上時(shí)，芯片開始工作。器件１４腳上Ｖｃｃ導(dǎo)通電流典型值為５ｍＡ，通過(guò)Ｃ２６放電使１４腳上的電壓下降，在尚未降至欠壓關(guān)斷門限時(shí)，變壓器的輔助繞組(７Ｔ）將通過(guò)ＩＣ１４腳外部二極管Ｄ２６對(duì)芯片提供所需的電流。當(dāng)ＩＣ在固定頻率下工作時(shí)，為防止在啟動(dòng)期間出現(xiàn)多重脈沖，可在ＩＣ１的３腳脈沖電壓超過(guò)２．５Ｖ門限之前，使ＩＣ１工作于自由振蕩(ｆｒｅｅｒｕｎｎｉｎｇ）模式。
３．２初級(jí)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(chǎn)生一個(gè)與功率晶體管Ｔ０１電流成正比的電壓。在Ｔ０１截止時(shí)，腳２上電壓為１．５Ｖ，這樣當(dāng)Ｃ２２通過(guò)Ｒ２２被充電時(shí)，Ｔ０１將處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)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(jí)繞組電感，ＩＰ為通過(guò)功率晶體管的電流。
Ｖ２一般施加到ＩＣ２腳內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)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(guò)控制電壓，驅(qū)動(dòng)器阻斷，以起到電流限制作用。控制電壓最大值是ＩＣ１內(nèi)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(nèi)的誤差放大器、光耦合器或ＩＣ１腳１１上的電壓(Ｖ１１）來(lái)決定。
圖3
３．３折回(ＦｏｌｄＢａｃｋ）點(diǎn)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(jīng)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(shí)際上，最大電流ＩＰ（ｍａｘ)是獨(dú)立的，與ＤＣ總線電壓無(wú)關(guān)。可表示為：
Ｉｐ（ｍａｘ)＝[（４Ｖ－Ｖ１１／３)Ｒ２２Ｃ２２]／Ｌｐ
３．４截止時(shí)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(lián)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ＩＣ１驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷時(shí)，內(nèi)部電流源首先用０．５ｍＡ的電流對(duì)腳１外部電容Ｃ３０充電。一旦腳３（ＲＺＩ)上電壓達(dá)到２．５Ｖ，充電電流將達(dá)到１ｍＡ，直到Ｃ３０上的電壓被充電到３．５Ｖ為止。Ｃ３０的充電時(shí)間約為τ＝（Ｃ３０×１．５Ｖ)／１ｍＡ。
當(dāng)Ｃ３０上的電壓達(dá)到３．５Ｖ以后，內(nèi)部電流源將被切斷，Ｃ３０通過(guò)Ｒ３０放電。當(dāng)ＩＣ１腳１上的電壓施加到內(nèi)部截止時(shí)間比較器時(shí)，比較器的另一個(gè)輸入就是控制電壓。當(dāng)截止時(shí)間比較器輸出高電平且腳３上的電壓低于２５ｍＶ時(shí)，內(nèi)部導(dǎo)通時(shí)間觸發(fā)器置位，以保證功率晶體管在最小的電壓時(shí)接通。如果沒(méi)有過(guò)零信號(hào)則進(jìn)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(jīng)過(guò)一段延時(shí)之后接通。只要腳１上電壓高于被限制的控制電壓，導(dǎo)通時(shí)間觸發(fā)器就會(huì)截止，以抑制腳３上不適當(dāng)?shù)倪^(guò)零信號(hào)。而一旦控制電壓低于２Ｖ，關(guān)斷時(shí)間將達(dá)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(shí)間的關(guān)系。
表2控制電壓與輸出功率、截止時(shí)間關(guān)系
控制電壓輸出功率截止時(shí)間1.5～2V低不變（達(dá)最大值）2～3.5V中減小3.5～5V高自由振蕩
實(shí)際上，變換器開關(guān)頻率是輸出功率的函數(shù)。
ＴＤＡ１６８４６－２的負(fù)載從屬頻率曲線如圖４所示。
３．５誤差放大器／軟啟動(dòng)
ＩＣ１的（ＲＺＩ)３腳是誤差放大器和過(guò)零信號(hào)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(hào)可從變壓器輔助繞組經(jīng)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(shí)，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(dòng)持續(xù)時(shí)間。
３．６固定頻率與同步化操作
在圖３所示的應(yīng)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(diào)節(jié)模式。
若要求ＩＣ１在固定頻率下操作時(shí)，腳７與地之間必須連接并聯(lián)ＲＣ網(wǎng)絡(luò)（Ｒｏｓｃ與Ｃｏｓｃ)，此時(shí)，其開關(guān)頻率ｆｓｗ將由Ｒｏｓｃ與Ｃｏｓｃ設(shè)定：
ｆｓｗ≈１．２／Ｒｏｓｃ·Ｃｏｓｃ。
因此，當(dāng)Ｒｏｓｃ＝２０ｋΩ、Ｃｏｓｃ＝４７０ｐＦ時(shí)，ｆｓｗ＝８８ｋＨｚ。
欲使ＩＣ１工作在同步模式，腳７上加入的同步信號(hào)頻率必須高于振蕩器的頻率。
ＴＤＡ１６８４７－２的應(yīng)用電路與ＴＤＡ１６８４６－２的應(yīng)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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