电压电路电流基于LD7552B的绿色开关电源设计与分析

基于LD7552B的绿色开关电源设计与分析

时间:2011年12月02日
随着低碳经济的提出,AC/DC电路必将从传统开关电源向绿色开关电源转型。所谓绿色开关电源实际上是一种高效节能型开关电源,它有3大优点,即效率高,性能好,电路结构简洁。近年 产能新竹农历破天荒!台积赶订单 春节不岁修日本地震或使全球芯片销售收入提高7%汉王阅读器同盟军汉王科技刘迎建:电纸书绝对不是过渡产品三星产业代工2011台湾半导体总产值达1.7兆 成长6.2%灯饰产品装饰性圣诞装饰灯具喜迎来新一轮出口高潮半导体库存行业五大信号揭示电子周期下行趋势节点模块电路基于ATmega16的无线传感网络节点设计NP153资料,与大家共享英特尔尼克中国传中芯国际拟向英特尔出售股票
随着低碳经济的提出,AC/DC电路必将从传统开关电源向绿色开关电源转型。所谓绿色开关电源实际上是一种高效节能型开关电源,它有3大优点,即效率高,性能好,电路结构简洁。近年来,国外一些半导体公司纷纷推出绿色电源芯片,这为AC/DC电路的转型提供了条件。在众多的绿色电源芯片中,LD7552B及其姊妹芯片极具代表性。LD7552B能输出PWM(脉冲宽度调制)开关脉冲,可与开关场效应管、开关变压器、精密三端比较器、光电耦合器等元器件构成绿色开关电源,通过合理选择外部元件的参数,可以使开关电源具有较宽的稳压范围和较灵敏的保护特性。基于LD7552B的开关电源可广泛用于液晶显示器、液晶电视机、电源适配器、打印机、复印机等设备中,具有广泛的应用前景。

1 LD7552B介绍
1.1 内部结构
LD7552B是Leadtrend(通嘉)科技公司推出的具有绿色工作模式的电源控制集成块,负责产生开关脉冲,还能完成稳压控制及各种保护。LD7552B内部结构如图1所示,它具有良好的防静电功能、电流模式控制功能、无噪声绿色模式控制功能和多种保护功能(如过压保护、过载保护等)。该集成块启动电流低(小于20μA),功耗低(小于0.4 W),利用它可以设计出30~60 W的绿色开关电源。

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值得一提的是,LD7552B与LD7552D互为姊妹芯片,它们之间的区别体现在4脚外部。LD7552B的4脚外部一般接100 kΩ电阻,而LD7552D的4脚外部一般接0.047μF电容,代换时应注意这一点。无论是LD7552B还是LD7552D都能推动多种型号的开关场效应管,如2SK2630,2SK2645,2SK2649等,应用时可根据实际情况选定。

1.2 封装形式
LD7552B及LD7552D均采用DIP-8封装形式,其外形及尺寸如图2所示。

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2 电路设计
利用LD7552B设计出的开关电源如图3所示,该电源能输出+5 V和+14 V直流电压,输出功率达40 W,+5 V电源的输出电流可达2 A,+14 V电源的输出电流可达2.2A。

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2.1 交流输入及整流滤波电路
这部分电路主要由电源开关S1、保险管F1、负温度系数热敏电阻NR1、互感滤波器L1、桥堆BD1、滤波电容C2和C3等元件构成。其功能是完成交流电压的传输及整流滤波任务,最后在C2上得到300 V左右的直流电压。

因电源功率较大,故开机浪涌电流也较大,保险管F1选用2 A/250 V规格;采用一节互感滤波器来滤除电网中的干扰,L1选用电感量为4 mH的互感滤波器即可;桥堆选用整流电流为2 A,耐压为500 V以上即可(如2KBP06~2KBP10系列);C2选用100~150 μF,耐压为400 V以上的电解电容。为了改善高频滤波效果,C2上可并联一个高压陶瓷电容C3。串入负温度系数热敏电阻NR1的目的是为了减小开机浪涌电流,NR1的常温阻值可选在6~9 Ω/4 A。
2.2 LD7552B的3脚和7脚外部电路
3脚和7脚外接启动电路和供电电路,其任务是开机瞬间为芯片提供启动电压,正常工作期间为芯片提供供电电压。电路启动时,LD755 2B的3脚索取的电流小于20μA,属微电流启动方式,故启动电阻R1,R2,R3的总阻值可选择在1 000 kΩ左右。电路工作后,7脚索取的电流达2 mA,此时R1,R2,R3无法提供如此大的电流,故由开关变压器的绕组、R8,D1等元件构成的供电电路来给7脚供电,以满足内部电路的要求。C6的容量一般在10~47μF,D1一定要选用耐压在200 V以上,整流电流在0.8 A以上的快恢复二极管(如FR103~FR106等),R8的阻值一般在10 Ω以下。R1,R2,R3,C6的取值不能太大,否则会导致电路启动困难,甚至不能启动。7脚的正常工作电压应设计在12~16V。
2.3 LD7552B的4脚外部电阻
LD7552B的正常振荡频率由4脚外部电阻进行设定,可由下式计算。
f=(65/R4)×100
式中:f表示LD7552B的正常振荡频率,单位为kHz;R4表示4脚外部电阻的阻值,单位为kΩ。例如,当4脚外部电阻为100 kΩ时,振荡频率为65 kHz。选择4脚外部电阻的阻值时,一定要确保f在50~130 kHz之间,也就是说R4的取值范围在50~130 kΩ之间。
2.4 LD7552B的6脚外部电路
6脚用来检测开关管的电流,以实现过流保护。6脚外部需接一个RC滤波器(由R5和C8构成),一则可以防止脉冲前沿损坏6脚内部电路,二则可以避免电路误保护。RC滤波器的时间常数不宜太大,只要确保脉冲前沿有350 ns的延时即可。开关管源极电阻R7对电路的输出功率及过流保护灵敏度有很大影响,R7越大,过流保护点就越低,电路的输出功率也就越小;若R7越小,过流保护点就越高,电路的输出功率也就越大。因此,选择R7的阻值时,一定要兼顾上述2个方面。实验表明,当开关管源极电阻选为0.47Ω/2 W时,电路的带负载能力大于40W,过流保护点约为2A。为了使设计略留有余地,R7可选为0.43Ω/2W。
2.5 稳压电路
精密型三端比较器IC3、光电耦合器IC2及3只取样电阻(R14,R16及R15)均为稳压电路中的关键元件。精密型三端比较器可选用KIA431A或TL431A,光电耦合器可选用PC123PC817。输出电压的大小与三只取样电阻(R14,R16及R15)的阻值息息相关,当输出电压为+5 V和+14 V时,根据基尔霍夫定律,很容易推导出R14,R16和R15之间有下式的关系。
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式中:R15,R14和R16分别代表电阻R15,R14和R16的阻值。如果R14和R16分别取3.6 kΩ和33 kΩ时,可以算出R15的阻值为2.4 kΩ。在实验中发现,当R15为2.43 kΩ时,+5 V和+14 V输出电压最准确。值得注意的是,R14,R15和R16一定要选用精密电阻,误差在1%以内,否则会影响稳压精度,加大输出电压的误差。
2.6 开关管及反峰吸收电路
开关管VT1应选用UDSS≥600 V,IDM≥6 A,PDM≥50 W,RDS<1.5 Ω的场效应开关管,如2SK2630,2SK2645,2SK2649,2SK2677,2SK2761等。
在开关管截止瞬间,开关变压器初级绕组会产生反峰电压,为了防止反峰电压击穿开关管,必须在开关变压器初级绕组上并联反峰吸收电路,即R9,C5和D3。D3一定要选用高压快恢复管,如RF107,RGF10M等,C5的耐压必须在1.5 kV以上,容量为1~2 nF;R9的功率须在2 W以上,阻值为100 kΩ左右。
2.7 直流输出电路
本电源输出+5 V,+14 V两路直流电压,都能向负载提供2 A以上的电流。+14 V整流一般选用耐压在100 V以上,平均整流电流在6 A以上的双二极管进行整流,如FCH10U10,FCH10A15,SP10100等,滤波电容的总容量应在1 000μF以上,最好采用LC滤波。+5 V整流一般选用耐压在50 V以上,平均整流电流在3 A以上的快恢复二极管进行整流,如31DQ06系列、31DQ09系列等,滤波电容的总容量应在2 000 μF以上,最好也采用LC滤波。

3 电路工作原理
3.1 启动过程
220 V交流市电经BD1整流、C2滤波获得300 V左右的直流电压。该电压经启动电阻R1,R2,R3送至IC1的3脚,经内部电路对7脚外部电容(C6和C4)充电,使7脚电压上升。当7脚电压达到16 V时,内部电路启动,并从8脚输出开关脉冲,开关管VT1进入开关工作状态。电路工作后,开关变压器1~3绕组上的脉冲电压经R8限流、D1整流,C6、C4滤波后,获得12V左右的直流电压提供给7脚,作为IC1的供电电压。LD755-2B具有绿色工作模式,在轻载运行(如待机)时,内部绿色模式控制器工作,振荡频率变为20 kHz左右,此时电源工作于绿色模式下,其功耗仅0.4 W左右。当负载提高时,芯片转为正常工作模式,此时振荡频率不受绿色模式控制器的控制,频率提高至65 kHz。模式的转换是由内部电路检测2脚电压来实现的,当2脚电压低于2.35 V时,电路就工作于绿色模式。
3.2 各路电压输出过程
开关变压器有两个带中心抽头的绕组,这两个绕组采用并联连接。它们的上端接地,下端并联后作为+14 V绕组的输出端,中心抽头并联后作为+5 V绕组的输出端。电路工作后,+14 V绕组输出的脉冲电压经D4(2个并联二极管)整流,C13,L2,C14滤波后,产生+14 V的直流电压。+5 V绕组输出的脉冲电压经D5整流,C10,L3,C11滤波后,产生+5 V直流电压。
3.3 稳压过程
该电源是通过调整开关脉冲的占空比来实现稳压控制的,稳压主取样点设在+5 V输出端,由R14和R15对+5 V电压进行取样;辅助取样点设在+14 V输出端,由R16和R15对+14 V电压进行取样。当某种原因(如电网电压上升,负载变轻等)引起各路输出电压上升时,送至IC3控制脚的取样电压也上升,从而使IC3导通加强,IC2中的发光二极管和光屯三极管导通也增强,IC1的2脚电压下降,经内部电路调节后,其8脚输出的脉冲宽度变窄(占空比减小),开关管VT1饱和时间缩短,各路输出电压下降。当某种原因引起各路输出电压下降时,则稳压过程与上述相反。
3.4 保护过程
(1)过流保护。当某种原因(如负载过重等)引起开关管VT1的电流增大时,R7上的电压必升高,该电压经R5送至IC1的6脚,只要6脚电压达到0.85 V,并持续350 ns时,内部过流保护电路动作,使8脚提前输出低电平,VT1提前截止,从而有效抑制电流的进一步上升,使VT1不至于过流而损坏。
(2)过载保护。当负载出现短路时,+14 V和+5 V电压接近0 V,此时IC3和IC2截止,IC1的2脚电压会上升,只要2脚电压上升至5 V,且持续60 ms,内部电路就会执行过载保护,8脚停止脉冲输出。
(3)欠压保护。欠压保护是由IC1的7脚内部电路来完成的。开机后,C6被充电,若C6上的电压不能达到16 V,IC1就不会工作,处于欠压保护状态。若C6上的电压能达到16 V,IC1就工作,一旦电路工作后,7脚电压只需维持在10~16 V之间即可,如果某种原因使得C6两端电压下降至10 V以下时,IC1立即停振,8脚停止脉冲输出,进入欠压保护状态。
(4)过压保护。当稳压环路开路时,各路输出电压会大幅上升,C6的电压也会上升,只要该电压达到28 V,IC1内部电路立即执行过压保护,8脚停止脉冲输出。
值得注意的是,当LD7552B进入保护状态后,其状态不能自动锁存,当保护条件不具备时,电路就会自行解除保护状态,重新工作。工作后,若保护条件又具备,则再一次进入保护状态,如此循环。也就是说,当电路进入保护状态时(过流保护除外),电路会间歇工作(即所谓的“打嗝”)。此时,输出电压及LD7552B相关引脚电压会波动。

4 关键检测点
该电源有一个目击检测点和两个关键检测点。当电源出故障时,通过检测这些点就能很快找到故障所在。保险管F1是目击检测点,通过观察或测量F1是否烧断,可以判断故障的性质。当F1烧断时,说明电源中有短路故障存在,短路部位一般发生在整流桥堆(BD1)、滤波电容C2,C3或开关管VT1上。C2上的电压是第一关键检测点,通过检测此点电压可以判断故障部位。例如,当电源不工作时,若测得C2上的电压为0 V,说明故障在交流输入电路或整流电路上;若C2上有300 V电压,说明故障部位在C2之后的电路中。LD7552B的7脚是第二关键检测点,当电源不工作时,通过测量该点电压可以缩小故障部位。例如,通电后,7脚电压达不到16 V,说明电路不工作是因启动电压过低而引起的;若7脚电压大幅度摆动,说明电路进入保护状态。

5 结语
LD7552B是一种非常完美的新型绿色电源芯片,具有很强的调压功能和完善的保护功能,所以稳定性和可靠性都很高,且能根据负载的大小自动改变工作模式。实践表明,基于LD7552B的开关电源能在90~240 V交流环境中稳定工作,在输出40 W功率的情况下,电源自身损耗仅3 W左右,效率达90%以上;在绿色模式下,电源自身损耗仅0.4 W左右。LD7552B是设计中大功率开关电源的首选芯片,它必将受到广大电子工作者的青睐,具有广阔的应用前景。

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