LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6M07652RTC特

LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6M07652RTC特点及应用  

摘要：FS6M07652RTC由SenseFET及其控制IC组成，专门为LCD监视器电源和适配器设计。叙述了FS6M07652RTC的特点、应用电路和设计考虑。

关键词：LCD监视器；开关电源功率开关；调整器

1  引言

    FS6M07652RTC是美国Fairchild公司为LCD监视器回扫式SMPS而专门设计的一种功率开关调整器。同其它Fairchild功率开关（简称FPS）一样，FS6M07652RTC是将带电流感测功能的MOSFET（被称作SenseFET）及其控制IC内置于同一封装之内，属于二合一组合器件。快捷（即仙童）FPS是在韩国三星功率开关（SPS）的基础上发展起来的功率开关调节器系列器件。几年前，快捷收购了三星的半导体功率器件部之后，将SPS更名为FPS。与现存和先前的FPS系列器件比较，FS6M系列FPS在性能和可靠性方面都有较大改进和提高。FS6M07652RTC中的SenseFET额定电流/电压（限制值）是2A/650V，并可承受7A的连续漏极电流。

2  主要性能与特点

    FS6M07652RTC采用空间节省的5脚TO-220F封装，如图1所示。

图1  封装及引脚排列

    FS6M07652RTC内置SenseFET和控制IC，图2示出了其内部结构框图。

图2  FS6M07652RTC内部结构框图

    FS6M07652RTC脚1（DRAIN）是SenseFET的漏极；脚2（GND）为接地端；脚3（V_cc）是电源电压施加端；脚4（V_fb）为反馈端；脚5（S/S）是软启动电容器连接端。

    FS6M07652RTC的主要性能与特点如下：

    1）内置耐压至少是650V的SenseFET和前沿消隐（LEB）电路，无需在外部连接电流感测电阻和RC低通滤波元件；

    2）PWM控制器带70kHz的固定工作频率（无需在外部连接R_T和C_T定时元件），占空比可达80％；

    3）控制IC的V_CC启动门限电压为15V，启动电流低于170μA，欠电压锁定（UVLO）门限是9V，带6V的滞后；

    4）为在显示电源管理信号传输（display Power Management Signalling，缩写为DPMS）状态下有一个低功率消耗，内置突发模式控制器，提供待机模式下的突发模式操作；

    5）内置各种保护电路，其中包括：

    ——33V的过电压保护（OVP）；

    ——逐周电流限制、过电流闭锁保护（OCP）和过载保护（OLP）；

    ——门限为160℃的热关闭保护（TSD）。

    故障条件一旦解除，控制IC可以自动重新启动。

    FS6M07652RTC带有最佳化的栅极驱动器和软启动功能，器件适用于宽范围的世界通用AC输入线路电压。

3  应用电路及变压器设计

3.1  应用电路及工作原理

    FS6M07652RTC主要适用于LCD监视器电源和AC/DC适配器，用其作为功率开关调整器的LCD监视器回扫式SMPS电路如图3所示。

图3  由FS6M07652RTC组成的LCE监视器回扫SMPS电路

    这种回扫式变换器的AC输入电压范围为85～265V，两路DC输出分别为12V/2A和3.3V/2A。5V、130mA的KA7805输出是为在突发模式下操作检验之用而设置的。

    与整流滤波后的DC总线电压连接的电阻R₁₀₂，为FS6M07652RTC（IC₁₀₁）脚V_cc的启动元件。通过R₁₀₂的电流对脚V_cc电容C₁₀₈充电，当C₁₀₈上的充电电压超过15V时，FPS内的SenseFET则开始开关。在FPS启动之后，变压器T1的辅助绕组（端5与端6）、D₂₀₂、R₁₀₄和C₁₀₈等组成的电源电路为FPS内的IC提供足够的工作电流。FPS脚V_cc的OVP电压在30V以上（典型值为33V），V_cc电压可选择24V左右。当V_cc降至9V的UVLO关闭门限时，FPS内IC的工作电流从10mA降至100μA。

    当一个负载或一只二极管发生短路时，将会在短时间内产生一个大电流流过FPS中的SenseFET，并被感测电阻（R_s）检测，OCL电路启动，履行过电流闭锁保护。

    过载不同于负载短路，它是指负载电流远大于预设定的电平。在过载情况下，OLP电路将使FPS停止工作。

    FPS利用电流型控制，最大开关电流在内部被限制，从而限制了在固定输入电压下的功率。如果电源DC输出电压低于设定值，在反馈环路上的IC₂₀₁（KA431）将产生非常小的电流，IC₃₀₁中光耦合晶体管中的电流几乎变为零，FPS脚V_fb内2μA的电流源（参考图2）将对外部电容C₁₀₇（参见图3）充电。当脚V_fb上电压因C₁₀₇充电达到7.5V时，FPS将关闭。在C₁₀₇=47nF下，关闭延时约100ms。在常态下，V_fb约为0.2～3V。当V_fb=3～7V时，器件在最大占空比上工作。一旦V_fb达到7V，内部电路则关闭反馈电路。

    在反馈环路上，Q₂₀₁、D₂₀₃、R₂₀₆和R₂₀₇、R₂₀₈及SW₂₀₁组成的反馈网络用作突发（burst）模式操作。在正常工作期间，Q₂₀₁导通，R₂₀₆从反馈网络被分离，3.3V的输出通过反馈网络传输到FPS的脚V_fb。当Q₂₀₁关断时，R₂₀₆连接到反馈网络，12V的输出也被反馈，从而使光耦晶体管饱和导通，FPS脚V_fb降为零，转换到突发模式。利用微控制器拉低脚V_fb，并没有使用附加的光耦合器。在突发状态下操作，输出电压降低，只消耗很小的功率。

3.2  变压器设计考虑

    在SMPS设计与制作中，变压器是一个关键性元件。对于图3所示的LCD监视器回扫式SMPS电路，变压器（T₁）参数的确定根据下面的设定条件：

    1）AC输入电压（V_in）范围  85～265V（频率60Hz）；

    2）输出功率P_o=P_o1＋P_o2=2A×12V＋2A×3.3V=30.6W（按30W计）；

    3）变换器效率η=70％。

    对于变压器设计的详细步骤在这里不准备逐一介绍，只简要说明变压器设计思路及设计考虑。

    在确定变压器初级峰值电流I_pk时，首先要确定最低DC输入电压（即输入电容C_in=C₁₀₃上的电压）。当SMPS在恒定输出功率上操作时，最大峰值初级电流发生在最低DC电压上。图4示出了C_in充电和放电波形。

图4  滤波电容C_in(C₁₀₃)上充/放电波形

    当C_in在f=120Hz下充电和放电时，在V_min处的纹波电压ΔV最大。C_in充电峰值电压

    V_min(pk)=×V_in(min)=×85V=120V。

    若纹波电压（峰-峰值）按不小于线路电压的20％处理，可设ΔV=20V。于是，C_in放电谷底电压V_min=V_min(pk)－ΔV=120V－20V=100V。C_in放电时间t_d可按照式（1）计算：

    t_d=×（1）

    将已知数据代入式（1）可得：t_d=6.78ms。

    C_in在放电期间输入能量E_in为：

    E_in=P_in·t_d=(P_o/η)×t_d=(30/0.7)×6.78×10^－3=0.29J

    根据E_in=·C_in·，可得：

    C_in===132μF

    132μF是非标准电容。在图3所示的应用电路中，C_in（C₁₀₃）选用的是82μF的铝高压电解电容器。在此种情况下，C_in放电终止电压V_min因纹波电压的增大不再是100V。假定C_in放电时的输入能量不变，根据E_in的计算公式得到的结果是：V_min=86V。利用该结果计算I_pk时，余量较大。

    最大峰值初级电流I_pk在V_min和最大占空比D_max下出现。由于电流控制型SMPS的D_max应低于50％，若选取D_max=0.45，可得：

    I_pk===2.2A

    初级方均根值电流I_rms可以按式（2）计算：

    I_rms=I_pk·  （2）

    将I_pk=2.2A和D_max=0.45代入式（2）得到

    I_rms=0.85A。

    在大多数关于变压器初级电感量L_p的计算中，初级电流都选用I_pk。在变换器初级电感传输到次级的功率保持不变时，确定L_p时可以使用I_rms，从而使L_p的计算结果有较大余量。由于FPS的固定操作频率f_s=70kHz，故L_p为：

    L_p===0.65mH

    在I_pk、I_rms和L_p等参数确定之后，通常根据面积乘积公式A_p=A_e·A_W≥（L_p·I_pk·I_rms×104/420·K·B_max）1.31等来确定磁芯的选取。针对本设计实例，通过简单的计算和经验，可选用EFD3030磁芯，其有效截面积A_e=1.07cm²，窗口面积（线圈骨架绕组面积）A_W=2.23cm²，最大磁通密度B_max=0.168T。

    初级绕组匝数可由式（3）计算：

    N_p=    （3）

    将L_p=0.65×10^－3H、I_pk=2.2A、B_max=0.168T和A_e=1.07cm²代入式（3），可得：N_p=79.6匝。可选取N_p=80匝。

    在最大占空因数D_max上的初、次级绕组匝数比n为：

    n==    （4）

式中：V_d为次级整流二极管的压降（选取0.6V）；

      V_o为次级DC输出电压。

    设12V输出次边绕组匝数为N_V1，3.3V输出绕组匝数N_V2，FPS偏置绕组匝数为NVCC，根据式（4）可得：

    N_V1=N_p×==13匝

    同理可得：N_V2=4匝，N_VCC=24匝（V_cc按24V计）。

    图5示出了变压器的结构，其主要参数如下：

图5  变压器结构示意图

    磁芯与骨架：EFD3030；

    绕组线径和匝数：

    初级绕组N_p（脚1→2，脚3→2）：φ0.3×1，80T(40T＋40T)，L_p=0.65mH，最大漏感为10μH；

    N_V1绕组（脚12→10）：φ0.3×2，13T；

    N_V2绕组（脚8→7）：φ0.3×4，4T；

    N_vcc绕组（脚5→6）：φ0.2×2，24T

    变压器绕组之间和外层用2层0.05mm厚的聚酯型薄膜隔离。