集成RCC式开关电源器件设计及应用

线性稳压电源因具有电路简单和成本低廉的优点，一直在低功率应用中倍受欢迎。这个线性稳压电源只需少量元件，且与开关电源SMPS(Switch Mode Power Supply)相比，更易于设计和制造。然而，由于以下两个原因，近年来线性电源开始逐渐被替代：其一，许多线性电源都是作为PDA、无绳电话和手机等产品的外部电源(EPS)绑定销售。如今EPS必须遵循严格的新节能标准，而此类标准几乎将线性电源排除在外，因为线性电源通常无法达到工作效率和空载功耗方面的标准；其二，大多数先进的低功率SMPS在成本和简单性方面与线性电源相当。这里将探讨低功率SMPS在初步应用阶段的不足之处，并讨论一种可行的方法，以帮助设计工程师设计出在成本效益方面符合EPS新节能标准的产品，并同时缩短设计时间、简化设计工作。
    自振反激型变换器。RCC(Ring Choke Converter)由于其电路拓扑简洁，输出与输入电压电气隔离且不需要输出滤波电感，能高效提供多组直流输出，电压升降范围宽等特点而广泛应用于中小功率变换场合，也是容量一般低于50 W的电源经常使用的变换器。被广泛应用于手机充电器以及笔记本适配器等设备。RCC采用和PWM型变换器相对的一种驱动方式，开关的导通和关断不需要专门的触发电路，完全靠电路内部来完成。这种变换器有它独特的优势，即电路简单，具有较高的性价比。但是RCC电路如果用分立元件构成的话，典型电路元件数居然达到50多个，所以设计一种集成的RCC电源器件已成为一种趋势。
    这里首先对电路原理进行了详细的分析和设计，通过计算机仿真进行了电路模拟。其次，将该RCC器件应用于充电器进行了实际测试，与理论值相互印证，然后分析了器件测试结果和需要进一步解决的问题。最后给出了结论。

1 RCC器件的应用电路
    典型的RCC电路需要约50个分立元件，设计和调试非常困难，可靠性也不够高。为了解决这个问题，设计了一款RCC集成器件，图l是其典型的应用电路。从图中可以看出，分立器件输入侧只有8个分立元件，输出侧有2个分立元件，如果将三极管13001、二极管VD2和电容C4封装进器件的话，分立元件将减少到7个，提高了集成度，将是最简洁的RCC电路。该应用电路的整流滤波电路由二极管VD5和电容C5构成；转换器采用双绕组的反激变换器，功率管选用的型号为13001，启动电路由电阻R6、电容C6串联构成，反激式开关电源集成电路的引脚FB与转换器中的次级线圈相接，引脚SW与功率管13001的发射极相接，功率管13001的集电极与主线圈相接，引脚VCC与电容C6的正极相接，引脚GND接地。

    85～220 V交流输入先经过VD5、C5，波形由交流转化为纹波比较大的直流电压，由于上电时电容C6的电压为O V，所以引脚SW的输出管为关断状态，电源通过电阻R6对电容C6充电，当电容C6充电到反激式开关电源集成电路的启动电压时，反激式开关电源集成电路开始正常工作，其内部的振荡器开始启动，SW输出大占空比开关信号去控制输出功率管13001，使得功率管13001也跟着开启和关断，当功率管13001开启时，功率管13001集电极的电压为低电压，这样通过变压器感应到输出和引脚FB的电压均为负电压，当13001关断时，由于电感的电流不能突变，所以功率管13001主线圈上会产生反冲电压，变压器的输出线圈和辅助线圈会耦合出正电压，这时输出的整流二极管VD7导通，电容C6和
C8充电，功率管13001在一次开启时，输出线圈和辅助线圈上的耦合电压为负电压，电容C6和C8上的电压可以维持反激式开关电源集成电路的工作电流和输出负载的工作电流。如此循环，系统可以持续的工作下去；输出端的电压控制是由反激式开关电源集成电路内部的过压保护电压控制，当输出负载减小时，VCC的电压上升到过压点，反激式开关电源集成电路内部会将SW关断，这时功率管13001不会导通，直到VCC电压放电到过压点以下，SW才会开启，这样反激式开关电源集成电路就会进入间断工作模式(几个周期工作，几个周期不工作)，工作频率会降低。输出电压可以维持在一个恒定值。

2 RCC器件的内部结构
    图2是RCC内部结构原理图。反激式开关电源集成电路包括振荡器、小占空比产生电路、占空比选择电路和消隐电路。振荡器与小占空比产生电路相连接，振荡器与小占空比产生电路分别与占空比选择电路相连接，占空比选择电路与消隐电路相连接，欠压锁定(UVLO)是整个反激式开关电源集成电路的启动电路，控制反激式开关电源集成电路的启动与关断，保护电路与输出驱动管VMO连接，消隐电路也控制输出驱动管VMO，二极管VD8直接连接引脚FB和引脚VCC，与反激式开关电源集成电路外围的电容(即图l中的C6)构成整流滤波电路。

2．1 器件工作过程
    当电源电压VCC上升到欠压锁定(UVL0)电路的开启电压时，电路开始工作，振荡器、小占空比产生电路、占空比选择电路、消隐电路启动，此时SW端口跳变，后备电源启动，对引脚FB充电，随着引脚FB电压的上升，当超过VCC电压时，二极管VD8导通，后备电源对VCC提供工作电流。振荡器提供一个占空比为12％振荡频率为40 kHz方波，随着VCC电压继续上升，当上升到钳位电路的箝位电压点时，反激式开关电源集成电路会切换到小占空比(4％)状态下工作，这时输出电压将会下降，但是不会马上切换到大占空比状态，直到VCC电压低于过压点时，才会回到大占空比状态，这时工作频率会上升，可以避免反激式开关电源集成电路的工作频率低于20 kHz；当反激式开关电源集成电路的输出负
载增加时，电感反激时的能量不足以提供系统输出的能量，VCC电压会下降，当电压下降到反激式开关电源集成电路的欠压点时，反激式开关电源集成电路将会全部关断，等待重启，这时系统进入打嗝模式。如果反激式开关电源集成电路的工作温度过高时，反激式开关电源集成电路的过温保护会将输出SW关断，这时VCC电压会持续下降，一直下降到欠压点电压，反激式开关电源集成电路关断，等待重启，反激式开关电源集成电路也会进入打嗝模式。

3 实验数据及处理
    根据图l构成的应用电路，1个单节锂电池充电器的测试数据如表l、表2所示。图3为电流的瞬态特性图。

    通过表1和表2的数据可知，该器件基本达到了设计标准，但仍存在以下问题：1)启动电流偏大；2)过压电压与启动电压太接近；3)工作频率偏小，需要通过后续设计进行改进。

4 结论
    典型的RCC所包含的元件数是同等线性电源的5～10倍，虽然大部分元件都非常便宜，但由于绝对数量大，所以设计和制造成本较高。元件数目越多，PCB走线就越复杂，优化布局所需的时间也越长，元件贴装时发生误差的可能性也越高。贴装SMD元件还需要额外的制造步骤，这样会增加生产时间和成本。RCC的性能取决于难以控制的寄生元件值与大量分立元件的组合公差之间的交互作用，在制造过程中需要持续监控和调整，以使收益率保持在可接受的水平，所以必须设计一种RCC集成器件，才能有效提高RCC电路的优点。
    本方案设计了器件内部结构包括依次连接的整流滤波电路、转换器和输出电路，整流滤波电路与启动电路相连接。整流滤波电路、转换器和启动电路分别与反激式开关电源集成电路相连接。器件进行了仿真和实际测试。测试结果表明，虽然存在“启动电流偏大”等3个问题，但是该方案基本克服了分离式RCC方案的缺点，而且效率大于65％，是目前较为理想的RCC开关电源供电装置之一。