电路保护集成技术降低电源成本

图1  线路浪涌将使得PI器件中的过压保护电路动作



图2  带有光电反馈的典型电路，可以对流入
芯片的电流进行选通



图3  器件处于自动重启模式时CONTROL
和DRAIN引脚处的波形



为了保持竞争力，大多数制造商都设法降低其产品的成本，理想的做法是既降低成本，又保证产品的质量和可靠性。为了在工作条件不正常时不致于失效，电源往往要采用昂贵的电路保护元件。不过很多在电源中使用的电路保护措施并不明显，因此其成本也很难简单明了地估计出。
这些隐含的保护措施采用后，电源链和相关元件(如开关器件及其散热器和钳位电路、变压器芯尺寸和输出整流器与电容)的参数选取必须留出一定的裕量。把外部的电路保护器件和暗藏的保护措施除去，可以显著降低电源成本。但是，单纯地删除这些保护措施是不可行的，因为这样做会损害可靠性、坚固性和/或供电安全性。然而，如果把电路保护功能集中到一个高度集成的电源变换IC上，就可以既安全地消除某些昂贵的外接分立元件，又能允许电源链元件的参数按照正常的输出负载来选取。

讨论范围
本文讨论了在芯片上实现保护功能集成后可以去除的那些电路保护元件，以及采取这种措施后可以带来的成本下降。所有的节约成本都是按照大批量采购元件(>10万个)的情况估计的，如果元件采购批量更小的话，则开销的节约效果还会更明显。在最新功率变换芯片中已经集成的功能包括：电力线路过压关断(line over-voltage shutdown)、开关电流敏感和限流、输出过载及开环保护(op)、过热关断和参数化温度补偿与容差控制。

电力线路过压关断
电力线路过压关断用于在线路出现浪涌时中止电源正常的工作，从而省去了MOV，可实现的成本降幅为0.04~0.12美元。例如， Power Integration (PI)公司把过压保护功能集成到了其多种离线式开关电源IC产品上。当这些器件检测到线路过压情况，它们就会停止开关动作，直到整流后的线路电压回落到该功能的解除阈值之下时为止。这一做法使得IC能抵受幅度高达其内部MOSFET最高额定值的线路浪涌，而无需MOV保护。图1示出了一个使整流后的DC电压限达到592V峰值的浪涌情形。由于中止了开关动作，部件DRAIN引脚上的电压始终保持在700V以下。在供电质量很差的国家中，常常会发生持续时间在100ms以上的电力线路浪涌，分立MOSFET所能提供的毫焦级的抗雪崩电流能力或者MOV所具备的瞬态功耗承受能力，都不足以承受持续时间如此之长的浪涌，而过压关断功能相比之下则更有价值。

开关电流敏感和限流
大多数PWM型IC对开关电流进行检测，这样，当流过开关的电流过大时，就可以终止开关循环的执行。该功能的实现一般需要外接电流敏感电阻和低通RC滤波器。大多数PI的产品系列采用集成MOSFET导通电阻来作为敏感电阻。这一措施连同内置的电流敏感比较器的前沿消隐(Leading Edge Blanking ，LEB)特性，使得设计者可以省去所有外接电流敏感和调节元件，带来的成本降幅达0.04~0.10美元。由于省去了敏感电阻并避免了相应的传导损耗，效率也得以提高。在可使用电流敏感变压器的DC/DC变换器中，成本降幅达到了0.50美元。此外，采用LEB也使电路无需对电流敏感信号进行滤波，从而能够更快、更准确的中止开关循环。因此，在没有增加成本的情况下，增强了对MOSFET的保护。

输出过载和开环保护
大多数PWM IC遇到负载异常情况时，通过让驱动芯片的电压下降到器件的欠压闭锁阈值之下，来中止通常的工作模式。PI的系列器件都根据从输出引出的反馈来选通输入芯片的电源电流(参见图2)。在这种结构中，若来自输出的反馈或者输出调节功能丧失，将会让芯片进入自动重启模式，此时负载得到的只是满输出功率的一小部分(参见图3)。这不仅大大提高了设计的承受能力，而且省去了起到辅助监控作用的限流过载保护或急速短路保护电路，节约的成本达0.05~0.20美元。这还使得电源的输出二极管和电容的参数只需根据正常的满负载输出功率来选取即可，从而进一步降低了成本。

过热保护
电路集成了过热保护功能后，就可以省去热敏电阻及其相关电路，以及安装所花的人工费用，初步产生的成本下降幅度即达到0.07~0.13美元。由于开关在电源中常常是温度最高的元件，所以通过片式温度敏感电路可对整个电源实行严密的过热保护。此外，如果这项功能还具有一个很宽的热滞后窗口的话，则还可以让PCB板在发生故障时温度保持在100℃以下，因而设计者就可以使用价格较为低廉的PCB材料，这又进一步减少了0.05~0.15美元的成本。

参数化的温度补偿和容差控制
一般说来，对元件参数分布范围的限制越松，其价格就越低。但是对于控制芯片来说，如果放宽其参数的分布范围，则要相应提高电源链器件的指标以补偿这一放宽带来的影响，其导致的成本提高，反而会抵消芯片价格的降低。例如，开关频率的变化以及开关电流的极限跳变点(trip point)决定了电源可以承受的过载功率值。这两个参数的容差范围越宽，电源能提供的过载功率就越大。输出二极管、变压器芯、开关元件散热器和钳位电路的设计参数必须根据可能的过载功率来选取，而不是仅仅根据额定的总负载功率选取。如果这些元件参数根据满负载要求来选取的话，成本的节约仅有0.10~0.25美元。一个电源芯片必须根据其关键性能参数的容差和温度补偿情况来评价。

结语
基于一片高集成度的电源变换IC来设计一个电源，可以省去某些电路保护元件和隐含的保护措施，而且其原有的保护功能并没有被削弱，同时，其BOM 成本还可降低0.35~0.95美元。