单片开关电源新技术概述

单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力，它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。目前，单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展。本文介绍国际上单片开关电源领域的几项新技术。

“绿色节能”型单片开关电源
目前，国外许多著名的IC厂家都在大力开发低功耗、节能型单片开关电源集成电路，Philips的TEA1520系列即是一例。该公司还研制成功TEA1510系列以及TEA1501、TEA1504、TEA1566等型号的新产品。由于上述产品采用了先进的节能技术和制作工艺，因此被誉为“绿色芯片”(Green Chip)，统称为“STARplug”产品。TEA1520系列适用于电池充电器、电源适配器，或机顶盒、DVD、CD、CVCR(摄录像机)、电视／监视器的备用电源，并可作为PC机外部设备、便携式电子装置及家用电器中微控制器(MCU)的电源。此外，它还被应用到通信、网络等领域。
 该系列产品采用Philips公司专有的高压EZ-HV和低压Bi-CMOS集成工艺，适合设计50W以下的小功率、小型化、低成本开关电源。这类开关电源可以做得很小，因其体积与插头式电源适配器相仿，故被称作“STARplug”，在英文中即“星形插头”之意。其“绿色节能”特性突出表现在以下几个方面：在空载时的待机功耗极低，小于100mW；内部设计了一个“谷值开关”(Valley Switching)电路，能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关损耗降至最低；在低功耗输出时能自动降低开关频率，使芯片工作在低频模式下，从而减小了芯片功耗。
下面介绍谷值开关的工作原理。
高频变压器一次绕组上的分布电容，反映到MOSFET的漏极引脚上，即为漏极分布电容CD。由CD和一次绕组电感LP构成的LC谐振电路会形成振铃电压(ringing voltage)。振铃电压属于衰减振荡的干扰电压，其振荡频率由下式确定：
fringing=    (1)
显然，在MOSFET导通期间，由振铃频率所造成的功率损耗为：
PON=CDUD2fringing    (2)
为减小开关损耗，在芯片内部专门增加了谷值开关电路。谷值开关信号(UV)与漏极电压、振铃电压的波形如图1所示。振铃电压(Uringing)就叠加在漏极电压波形上。每当振铃电压到达谷值时，谷值开关电路就产生一个谷值开关信号(正脉冲)，令MOSFET截止，起到了降低开关损耗的作用。图1中，U2为二次绕组的电压，A点代表用谷值开关信号来启动新的振荡周期，B点代表按照传统的PWM方式来启动新的振荡周期。

图1  谷值开关信号与漏极电压、振铃电压的波形

图2  频率抖动的波形

图3  跳过周期前后噪声电压幅度的变化情况

图4  退磁电路

频率抖动技术
PI的TinySwitch-II系列第二代增强型隔离式微型单片开关电源集成电路，适合制作23W以下的低成本微型化开关电源。该芯片采用了“频率抖动”(Frequency Jittering)技术，以降低由开关频率高次谐波所造成的电磁干扰。将开关频率限制在很窄的波段内抖动，由于开关频率是在132kHz附近不断变化的，它与132kHz固定频率的高次谐波干扰之间没有相关性，因此利用频率抖动信号能够降低传导噪声。其开关频率的抖动范围是128kHz~136kHz，抖动量为±4kHz。频率抖动波形如图2所示。利用此功能可显著减小噪声干扰，并且噪声谐波次数愈高，抑制作用愈明显。例如对5次谐波噪声平均值的衰减量可达10dB以上。
安森美NCP1200型单片开关电源也采用了频率抖动技术。它与NCP1050系列、NCP1000系列一起，为办公自动化设备、消费类及工业电子产品提供了一套简单而经济的电源系统设计方案。

跳过周期
PI的TOPSwitch－FX系列五端单片开关电源集成电路采用了“跳过周期”等项新技术。如果开关电源的负载非常轻，以至于开关电源在最小占空比(Dmin=1.5%)之下所提供的输出功率，仍然超过负载上的功耗，TOPSwitch-FX就采用跳过周期的工作方式进一步降低输出功率，来提高轻载时电压的稳定性。此方式可等效为先将占空比固定在1.5%(或更低值)上，然后用PFM方式调节轻载时的UO值。根据负载变化情况，开关电源能在正常工作和跳过周期方式二者之间自动转换，而无须其他控制。如不需要跳过周期，可在电源输出端接上最小负载RLmin，使D＞Dmin=1.5%。
采用跳过周期模式不仅能获得极低的输出功率，还能减小噪声电压。跳过周期前后的噪声电压幅度变化情况如图3所示。

退磁电路
Philips  TEA1520型单片开关电源除有过流保护、短路保护、输入过压保护和过热保护功能之外，还增加了独特的退磁保护电路，如图4所示。NF代表高频变压器的反馈绕组。RAUX为辅助电阻，它能配合电路起到退磁作用。由VD1、VD2组成双向限幅二极管，起过压保护作用。对反激式开关电源而言，当MOSFET关断时，反馈绕组的同名端呈正电压，电流通过RAUX流入AUX端，再流到比较器Ⅰ的同相输入端，只要同相端电压高于100mV，就不会启动一个新的振荡周期。利用退磁电路可以检测高频变压器上的剩磁，仅当剩磁接近于零时，才允许TEA1520进入下一个振荡周期。这样即可避免出现磁饱和现象。