新一代机顶盒与液晶电视用的低价简易开关电源的设计
鲁思慧
摘要：本文主介绍用SC2618同步降压控微制芯片与AO4812双场效应功率集成管设计成新一代机顶盒、液晶电视(或高清晰度电视)用的低价简易开关电源，并对SC2618芯片特征与简易开关电源主要参数计算及PCB线路排版技术作一分析说明。
关键词：PWM控制器 比较器
反馈 场效应管 驱动
1、 大输出电流和低输出电压的低价高效率开关电源迫走眼前
传统电子消费产品的AC-DC开关电源，通常需要带有多组输出隔离变压器并由一片原边电源控制器控制输出电压和电流，但这类多组输出电源的输出电流都比较小，稳定的输出电压是通过线性稳压管来实现。从设计与制造及使用的角度来看，比较麻烦而且成本也较高。需指出的是，其线性稳压管只能应用于高电压和低电流，故此种电源在应用上局限性很大，己远远不能适应新一代电子消费产品的需要。
由于新一代电子消费产品如机顶盒，液晶电视(或高清晰度电视)需要的是能提供大输出电流和低输出电压的低价高效率开关电源，这样就促使许多产品设计需采用分散式电源模式，也就是说，产品设计更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC-DC适配器并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。
特别要说明的是，由于系统主芯片的电压越来越低而电流越来越大，这样就可以使越来越多的直流开关电源能出现在系统板上的新型工装技术。
而要提供一系列价格低廉，线路简单，性能齐全直流开关电源，其关键在于是如何应用低廉、简单，性能齐全的电源控制芯片。近年来Semtech International公司的低价简易同步式降压控制芯片(SC2618)不失为一种好的选择，因为用该简易同步式降压控制芯片(SC2618)只需较少外围元器件就能设计出低电压高效率降压电源。那如何设计与组成？这是设计人员要解决的问题，也是本文阐述的主要内容。
1、 同步式降压控制芯片(SC2618)简介
SC2618芯片是滞后模式PWM控制器，可以用来设计高效率低成本开关电源的设计；该滞后模式PWM控制器允许使用陶瓷电容器，而且可以不需要补偿电路和校准；内部软启动时的“打嗝”型短路保护可提供预防输出短路以及相反输入电压序列。其同步式降压控制芯片(SC2618)内部组成框图见图1所示。图1中DL为低场效应驱动输出；DH为高端场效应驱动输出；BST为供电时门驱动电压；FB为反馈；GND为模拟和功率地；Vcc为芯片电压和低端FET驱动电压。
SC2618组成特点：工作频率在500KHz以上；输入电压从5V-12V；具有0.5A门驱动能力；内部微调频带间隙基准(±1%)；具有“打嗝”型短路保护和输入电压序列保护；6脚SOT23封装。为此SC2618能广泛应用于图像电电源与嵌入式低成本高效率转换器。
2、 用SC2618设计简易同步降压电源方案(Vin为5V/12V，Vout处1.8V/3.5A)
图2为用同步式降压控制芯片SC2618与双场效应功率管 AO4812集成块设计组成的机顶盒和液晶电视及其它消费电子产品所需的板上开关直流电源线路图。
2.1电源组成
此电源的输入电压Vin由交流变直流适配器提供，Vin大多数为12V/5V(也有少数会用24V)，输出电压是1.8V，输出电流是3.5安培。由图所示SC2618是一个六个管脚SOT-23小封装芯片。它能接收4.5V至14V工作电压并有一个1.25V内部电压基准(见图1所示Vref=1.25V)。0.5安培的场效应管驱动能使电源的输出电流达到10安培。由于SC2618不需要反馈补偿电路，故设计人员不需要在设计电源中花许多时间计算和测试难度较高的反馈补偿电路。双场效应功率管IC2为AO4812，其参数见表1所示。
2.11电源的开关频率Fs计算
由图2可看到，一组分压电阻(R6，R8)会将输出电压Vout信息反馈给SC2618芯片的
FB端(为SC2618内部比较器的负端-见图1所示的比较器2的负端)。此比较器2的正端与1.25V电压基准相连接，其图3(a)(b)就是PWM工作方式示意波形图。如果输出电压Vout低于所设定的数值，高端的场效应管Q1将被导通并一直导通到输出电压Vout回升到设定的数值以上。同样的道理，如果输出电压Vout高于用户所设定的数值，高端的场效应管将被关断而低端的场效应管Q2将被导通并一直导通到输出电压下降到设定的数值以下。这种芯片模式将会使一个降压式电源工作在以下任何一种模式：
1) 高端场效应管导通1微秒；
2) 低端场效应管导通1微秒；
3) 高/低端场效应管各导通1微秒。
由于SC2618内置高/低端场效应管最低导通时间是1微秒，电源的开关频率可由图4推断出。
2.111用图4说明该降压式开关电源关于开关频率Fs与占空比(D)之间的关系。
若电源输入电压Vin是12V，输出电压是1.8V，则电源的占空比(D)为0.15(1.8/12)。从图4可看到占空比为0.15时开关频率Fs是150KHz；若电源输入电压Vin是12V，输出电压是5V，则电源的占空比(D)为0.42(5／12)那么该电源的占空比为0.42，开关频率Fs是420KHz。
2.112 除此以外，电源开关频率Fs还可以通过以下二个简单公式来计算：
*如果高端场效应管导通时间(tON)小于低端场效应管导通时间(toFF)，占空比(D)小于0.5，那么开关频率为
Fs=D／1µs (Hz) (1)
*如果高端场效应管导通时间(tON
)大于低端场效应管导通时间(toFF)，占空比(D) 大于0.5，那么开关频率为
Fs =(1-D)／1µs
(Hz) (2)
2.12芯片
SC2618工作过程-开关电源的启动
芯片SC2618启动过程是这样的：一旦输入电压Vin接到Vcc管脚，则高端(上端)场效应管驱动引脚(DH)和低端(下端)场效应管驱动引脚(DL)一直到
Vcc超越SC2618的输入欠压保护点(一般为4.5V)才会产生高信号。芯片SC2618内部软启动电流源开始向内部软启动电容充电，这时高端场效应管驱动引脚(DH)是低信号而低端场效应管驱动引脚(DL)是高信号。当芯片内部软启动电容电压达到一定值以后，高端场效应管和低端场效应管开始交错工作。电源输出电压Vout会开始慢慢地升高。
SC2618内部软启动时间一般为100微秒。如果Vcc上的电压在正常工作时突然跌入芯片输入欠压保护点(4.5V)以下，芯片内部软启动电容开始放电。当芯片内部软启动电容电压跌到一定值以后，
高低端场效应管导通时间会慢慢地减小一直到完全关断。
2.13关于输出短路的保护
输出短路保护是通过SC2618的反馈端电压(VFB)和它的1.25V内部电压基准电压来实现的(见图1下部所示)。在正常工作时如果反馈端电压小于1.25V基准电压200mV，SC2618立刻关断高端场效应管同时内部软启动电容开始放电.如果输出短路是发生在软启动过程中，必须等软启动结束才能彻底关断场效应管并开始软启动电容放电。一旦软启动电容放电结束，新的一轮软启动又开始。
整个保护过程为：当SC2618反馈端电压小于基准电压200mV→场效应管关断→软启动电容放电→软启动电容充电→场效应管导通。
3、 SC2618在宽输入电压时的应用线路
虽然SC2618
Vcc只能接收4.5V—14V之间的输入电压，但是只要在芯片的外围增加一个非常简单的线性稳压管(一个小信号晶体管和一个齐纳二极管)就可以很容易地将输入电压的范围升到20V以上。同时可以利用一个外围晶体管来关断芯片。这种电路可用在许多需要24V输入电压工作的消费类产品。
图5是一个可以工作到24V输入电压的完整电路图。输入电压可以是5V
to 24V，输出电压是3.3V，输出电流是3.5A。图5中6.2V的齐纳二极管将SC2618 Vcc电压限制在5.5V左右。上(高)端和下(低)端场效应管的驱动电压也在5.5V。可以通过晶体管Q3来关断整个电源。
4、 关于功率场效应管的选择
由于本直流开关电源是同步降压转换器，即有着高输入电压对低输出电压的特点，故高端场效应管导通的时间很短，低端场效应管导通的时间很长，但是低端场效应管转换电压几乎为零。在这样的应用中，栅极电容较小(内阻较大)场效应管适用于高端开关，栅极电容较大(内阻较小)场效应管适用于低端开关。在该例子中所用的场效应管是通过它的内阻(RDSON)、栅极电容／电荷和封装热阻
这3个参数来选择的。利用SC2618 0.5A内置驱动器(见图1)，一个栅极电荷为25nC的场效应管会产生大约50ns的开关升/降时间 (ts=25nC/0.5A)。ts 会在高端场效应管开关时产生开关损耗(Ps)：
Ps=Iout·Vin·ts·fosc
在图2中，Ps是0.3W。由于在高端和低端场效应管之间无重叠传导，流过低端场效应管漏极和源极的寄生二极管或外部肖特基二极管总是在低端场效应管导通之前导通。低端场效应管导通电压仅为一个在漏极和源极之间二极管的电压。低端场效应管开关损耗为零。高端和低端场效应管在导通时的损耗可下式来计算：
以图2为例，选用的场效应管是A04812。A04812高低端导通内阻都是28mΩ，在3.5A
负载时高低端导通损耗是0.35W。整个AOS4812损耗为0.65W (PLoss=0.3W+0.35W)。场效应管的结温可由式(10)来计算：
TJ=TA+
·Ploss
(10)
从A04812手册上可查到它最大的结温至室温热阻是110℃/W
，在3.5A负载下
AOS4812损耗为0.65W，这时AO4812
SOIC8封装结温在400c的室温状态下是111.5℃。这数值远小于芯片150℃结温限制。对于大电流输出上的应用(>3.5A)，可以采用低内阻抗场效应管来限制它的导通损耗，并利用外加散热器将它的结温控制在110℃之内。
5、 开关电源输出电感、输出电容、反馈分压电阻、输入电容参数的计算
由于SC2618不需要反馈补偿电路，故不需要设计补偿网络参数。整个电源所需要设计的参数只包括输出电感；输出电容；反馈分压电阻；输入电容；场效应管。这些元件参数用下列简化计算公式很快地算出。
5.1输出电感L
输出电感L的选择或设计基于输出DC和瞬态的要求。大的电感值可减小输出纹波电流和纹波电压，但是在负载瞬变过程中改变电感电流的时间会加长。小的电感值可得到低的直流铜损，但是交流磁芯损耗和交流绕线电阻损耗会变大。折衷的方法是选择电感纹波电流峰峰值Ip-p在输出负载电流额定值的20%到30%之间。
假定电感纹波电流峰峰值Ip-p 是负载直流电流的20%，那么输出电感值为：
以图2的线路为例，Vin=12V，Vout=1.8V，Iout=3.5A，fosc=150KHz，计算出来的电感值是14.5μH．可选用市场上很容易采购到的15μH/5A表面贴电感。
5.2输出电容Cout
输出电容应按照输出电压纹波和负载动态变化要求来选择。输出电感产生的纹波电流会在输出电容串联等效电阻(ESR)上产生输出电压纹波(VRIPPLE)。为了满足输出电压纹波要求，输出电容寄生串联电阻(ESR)必须满足下公式：
以图2为例，Vin=12V，Vout=1.8V，fosc=150KHz，L=15μH，VRIPPLE =60mV，那么计算出输出电容串联等效电阻(ESR)会在输出负载电流变化时产生一个电压变化值(VT)。为了满足输出电压电压变化值要求，输出电容串联等效电阻(ESR)必须同时按照下公式：
(5)
以图2为例，如果输出电压动态变化值是输出电压值的10%(VT=10%×1.8V=180mV)，如果负载电流变化值是lA，所需要的输出电容的ESR是180mΩ。为了同时满足输出电压纹波和动态变化，应该选择最小ESR的电容。所以，在本例中选用90mΩ，1000µF/16V电解电容。
5.3反馈分压电阻R6与R8选用
高端的反馈分压电阻Rtop(R6)可在5KΩto15KΩ之间选择。低端的电阻值Rbot(R8)可由式(6)算出：
在上式中，1.25V为SC2618内部电压基准。以图2为例，如果Rtop=10KΩ，为得到1.8V输出电压，则Rbot=22.7KΩ。最终经实验调整Rbot为22.1KΩ。一般来讲Rtop和Rbot应选用1%精密电阻。
5.4输入电容C1(Cin)
输出满载时输入电容的ESR在电源输入端所产生的纹波电压是：
(7)式中，
是电感上纹波电流与负载电流的比例。图2中
=20%。假如该电源输入端能接收500mV的纹波电压，计算出来的输入电容ESR值是130mΩ。为了简单我们可以选择同样的1000µF，90mΩ电解电容。
6、 PCB排版与数字电路排版完全不一样
同步降压开关电源PCB排版(即线路板制作)是非常重要，它是关集系到设计好的电源能否在系统上正常上作的关键。
值此需说明的是，电源PCB排版与数字电路排版完全不一样。它们的不同在于：在数字电路排版中，许多数字芯可以通过PCB软件来自动排列，芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接；而正确的开关电源PCB排版需要设计人员对开关电源工作原理有一定的了解，特别是设计人员需要知道高频交流电流的走线，并且能够区分低信号控制电路部分和大功率元器件走线部分。
以图2为例，将分成控制电路部分和功率电路部分两部分；一般来讲，电源的功率电路部分包括输入电容(Cin)、输出电容(COUT)、输出电感(L)、场效应管(Ql／Q2)之间的连线用粗线走线(见图6所示)；而控制电路部分包括PWM芯片，旁路电容，自举电路，反馈电阻之间的连线用细线走线。
图6是更进一步显示功率电路部分的电流和电压波形图。可以看到高频率交流电流会周旋在由场效应管和输入电容所组成的回路中。所以此回路中元器件之间的PCB走线要短而且要宽。此回路截面积要越小越好。小回路面积将大大地减小EMI噪声并产生一个比较安静的功率地。安静的功率地会使场效应管的栅极驱动电压波形非常干净。CIN可用大容量电解电容和小容量瓷片电容并联，并要靠近场效应管。如果高频交流电流的回路面积很大，就会在回路的内部和外部产生很大的电磁千扰(EMl)。如果同样的高频交流电流的回路面积设计得非常小，回路内部和外部的电磁场互相抵销，整个电路会变得非常安静。
高端场效应管(Q2)的源极，低端场效应管(Q1)的漏极和输出电感(L)之间的连接点应该是一整块铜片焊盘。由于这连接点上的电压是高频和交流，Q1和Q2和L要靠得非常近。虽然输出电感和输出电容之间的走线没有高频交流电流，但宽的走线可以降低直流阻抗的损耗提高电源的效率。
控制线路应放置在功率电路的边上.控制电路绝对不能放在高频交流回路的中间。旁路电容要尽量靠近芯片的Vcc和地。芯片的场效应管驱动输出不要离开场效应管太远。反馈分压电阻最好也放置在芯片附近。图6是一个比较好的功率电路PCB走线。
7、 结束语
通过对低价简易PWM控制芯片SC2618在开关电源上的应用与PCB板排版的介绍分折，可以看到当今新一代消费类电子产品电源开发与应用可以大为简化，非但省力省物力而且大大提高了系统的可靠性，应该说此类直流开关电源具有较高的性能价格比，其市场前景看好。
参考文献：Semtech Corporation
2005年产品目录
