單片開關電源新技術概述

單片開關電源自20世紀90年代中期問世以來便顯示出強大的生命力，它作為一項頗具發展前景和影響力的新產品，引起了國內外電源界的普遍關注。單片開關電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點，現已成為開發中、小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優選集成電路。目前，單片開關電源正朝著短、小、輕、薄、節能、安全的方向發展。本文介紹國際上單片開關電源領域的幾項新技術。

“綠色節能”型單片開關電源
目前，國外許多著名的IC廠家都在大力開發低功耗、節能型單片開關電源集成電路，Philips的TEA1520系列即是一例。該公司還研制成功TEA1510系列以及TEA1501、TEA1504、TEA1566等型號的新產品。由于上述產品采用了先進的節能技術和制作工藝，因此被譽為“綠色芯片”(Green Chip)，統稱為“STARplug”產品。TEA1520系列適用于電池充電器、電源適配器，或機頂盒、DVD、CD、CVCR(攝錄像機)、電視／監視器的備用電源，并可作為PC機外部設備、便攜式電子裝置及家用電器中微控制器(MCU)的電源。此外，它還被應用到通信、網絡等領域。
 該系列產品采用Philips公司專有的高壓EZ-HV和低壓Bi-CMOS集成工藝，適合設計50W以下的小功率、小型化、低成本開關電源。這類開關電源可以做得很小，因其體積與插頭式電源適配器相仿，故被稱作“STARplug”，在英文中即“星形插頭”之意。其“綠色節能”特性突出表現在以下幾個方面：在空載時的待機功耗極低，小于100mW；內部設計了一個“谷值開關”(Valley Switching)電路，能把功率開關管導通時由漏極分布電容產生的開關損耗降至最低；在低功耗輸出時能自動降低開關頻率，使芯片工作在低頻模式下，從而減小了芯片功耗。
下面介紹谷值開關的工作原理。
高頻變壓器一次繞組上的分布電容，反映到MOSFET的漏極引腳上，即為漏極分布電容CD。由CD和一次繞組電感LP構成的LC諧振電路會形成振鈴電壓(ringing voltage)。振鈴電壓屬于衰減振蕩的干擾電壓，其振蕩頻率由下式確定：
fringing=    (1)
顯然，在MOSFET導通期間，由振鈴頻率所造成的功率損耗為：
PON=CDUD2fringing    (2)
為減小開關損耗，在芯片內部專門增加了谷值開關電路。谷值開關信號(UV)與漏極電壓、振鈴電壓的波形如圖1所示。振鈴電壓(Uringing)就疊加在漏極電壓波形上。每當振鈴電壓到達谷值時，谷值開關電路就產生一個谷值開關信號(正脈沖)，令MOSFET截止，起到了降低開關損耗的作用。圖1中，U2為二次繞組的電壓，A點代表用谷值開關信號來啟動新的振蕩周期，B點代表按照傳統的PWM方式來啟動新的振蕩周期。

圖1  谷值開關信號與漏極電壓、振鈴電壓的波形

圖2  頻率抖動的波形

圖3  跳過周期前后噪聲電壓幅度的變化情況

圖4  退磁電路

頻率抖動技術
PI的TinySwitch-II系列第二代增強型隔離式微型單片開關電源集成電路，適合制作23W以下的低成本微型化開關電源。該芯片采用了“頻率抖動”(Frequency Jittering)技術，以降低由開關頻率高次諧波所造成的電磁干擾。將開關頻率限制在很窄的波段內抖動，由于開關頻率是在132kHz附近不斷變化的，它與132kHz固定頻率的高次諧波干擾之間沒有相關性，因此利用頻率抖動信號能夠降低傳導噪聲。其開關頻率的抖動范圍是128kHz~136kHz，抖動量為