LCD監視器開關電源功率開關調整器FS6M07652RTC特點及應用??

摘要：FS6M07652RTC由SenseFET及其控制IC組成，專門為LCD監視器電源和適配器設計。敘述了FS6M07652RTC的特點、應用電路和設計考慮。

關鍵詞：LCD監視器；開關電源功率開關；調整器

1? 引言

??? FS6M07652RTC是美國Fairchild公司為LCD監視器回掃式SMPS而專門設計的一種功率開關調整器。同其它Fairchild功率開關（簡稱FPS）一樣，FS6M07652RTC是將帶電流感測功能的MOSFET（被稱作SenseFET）及其控制IC內置于同一封裝之內，屬于二合一組合器件。快捷（即仙童）FPS是在韓國三星功率開關（SPS）的基礎上發展起來的功率開關調節器系列器件。幾年前，快捷收購了三星的半導體功率器件部之后，將SPS更名為FPS。與現存和先前的FPS系列器件比較，FS6M系列FPS在性能和可靠性方面都有較大改進和提高。FS6M07652RTC中的SenseFET額定電流/電壓（限制值）是2A/650V，并可承受7A的連續漏極電流。

2? 主要性能與特點

??? FS6M07652RTC采用空間節省的5腳TO-220F封裝，如圖1所示。

圖1? 封裝及引腳排列

??? FS6M07652RTC內置SenseFET和控制IC，圖2示出了其內部結構框圖。

圖2? FS6M07652RTC內部結構框圖

??? FS6M07652RTC腳1（DRAIN）是SenseFET的漏極；腳2（GND）為接地端；腳3（V_cc）是電源電壓施加端；腳4（V_fb）為反饋端；腳5（S/S）是軟啟動電容器連接端。

??? FS6M07652RTC的主要性能與特點如下：

??? 1）內置耐壓至少是650V的SenseFET和前沿消隱（LEB）電路，無需在外部連接電流感測電阻和RC低通濾波元件；

??? 2）PWM控制器帶70kHz的固定工作頻率（無需在外部連接R_T和C_T定時元件），占空比可達80％；

??? 3）控制IC的V_CC啟動門限電壓為15V，啟動電流低于170μA，欠電壓鎖定（UVLO）門限是9V，帶6V的滯后；

??? 4）為在顯示電源管理信號傳輸（display Power Management Signalling，縮寫為DPMS）狀態下有一個低功率消耗，內置突發模式控制器，提供待機模式下的突發模式操作；

??? 5）內置各種保護電路，其中包括：

??? ——33V的過電壓保護（OVP）；

??? ——逐周電流限制、過電流閉鎖保護（OCP）和過載保護（OLP）；

??? ——門限為160℃的熱關閉保護（TSD）。

??? 故障條件一旦解除，控制IC可以自動重新啟動。

??? FS6M07652RTC帶有最佳化的柵極驅動器和軟啟動功能，器件適用于寬范圍的世界通用AC輸入線路電壓。

3? 應用電路及變壓器設計

3.1? 應用電路及工作原理

??? FS6M07652RTC主要適用于LCD監視器電源和AC/DC適配器，用其作為功率開關調整器的LCD監視器回掃式SMPS電路如圖3所示。

圖3? 由FS6M07652RTC組成的LCE監視器回掃SMPS電路

??? 這種回掃式變換器的AC輸入電壓范圍為85～265V，兩路DC輸出分別為12V/2A和3.3V/2A。5V、130mA的KA7805輸出是為在突發模式下操作檢驗之用而設置的。

??? 與整流濾波后的DC總線電壓連接的電阻R₁₀₂，為FS6M07652RTC（IC₁₀₁）腳V_cc的啟動元件。通過R₁₀₂的電流對腳V_cc電容C₁₀₈充電，當C₁₀₈上的充電電壓超過15V時，FPS內的SenseFET則開始開關。在FPS啟動之后，變壓器T1的輔助繞組（端5與端6）、D₂₀₂、R₁₀₄和C₁₀₈等組成的電源電路為FPS內的IC提供足夠的工作電流。FPS腳V_cc的OVP電壓在30V以上（典型值為33V），V_cc電壓可選擇24V左右。當V_cc降至9V的UVLO關閉門限時，FPS內IC的工作電流從10mA降至100μA。

??? 當一個負載或一只二極管發生短路時，將會在短時間內產生一個大電流流過FPS中的SenseFET，并被感測電阻（R_s）檢測，OCL電路啟動，履行過電流閉鎖保護。

??? 過載不同于負載短路，它是指負載電流遠大于預設定的電平。在過載情況下，OLP電路將使FPS停止工作。

??? FPS利用電流型控制，最大開關電流在內部被限制，從而限制了在固定輸入電壓下的功率。如果電源DC輸出電壓低于設定值，在反饋環路上的IC₂₀₁（KA431）將產生非常小的電流，IC₃₀₁中光耦合晶體管中的電流幾乎變為零，FPS腳V_fb內2μA的電流源（參考圖2）將對外部電容C₁₀₇（參見圖3）充電。當腳V_fb上電壓因C₁₀₇充電達到7.5V時，FPS將關閉。在C₁₀₇=47nF下，關閉延時約100ms。在常態下，V_fb約為0.2～3V。當V_fb=3～7V時，器件在最大占空比上工作。一旦V_fb達到7V，內部電路則關閉反饋電路。

??? 在反饋環路上，Q₂₀₁、D₂₀₃、R₂₀₆和R₂₀₇、R₂₀₈及SW₂₀₁組成的反饋網絡用作突發（burst）模式操作。在正常工作期間，Q₂₀₁導通，R₂₀₆從反饋網絡被分離，3.3V的輸出通過反饋網絡傳輸到FPS的腳V_fb。當Q₂₀₁關斷時，R₂₀₆連接到反饋網絡，12V的輸出也被反饋，從而使光耦晶體管飽和導通，FPS腳V_fb降為零，轉換到突發模式。利用微控制器拉低腳V_fb，并沒有使用附加的光耦合器。在突發狀態下操作，輸出電壓降低，只消耗很小的功率。

3.2? 變壓器設計考慮

??? 在SMPS設計與制作中，變壓器是一個關鍵性元件。對于圖3所示的LCD監視器回掃式SMPS電路，變壓器（T₁）參數的確定根據下面的設定條件：

??? 1）AC輸入電壓（V_in）范圍? 85～265V（頻率60Hz）；

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

??? 3）變換器效率η=70％。

??? 對于變壓器設計的詳細步驟在這里不準備逐一介紹，只簡要說明變壓器設計思路及設計考慮。

??? 在確定變壓器初級峰值電流I_pk時，首先要確定最低DC輸入電壓（即輸入電容C_in=C₁₀₃上的電壓）。當SMPS在恒定輸出功率上操作時，最大峰值初級電流發生在最低DC電壓上。圖4示出了C_in充電和放電波形。

圖4? 濾波電容C_in(C₁₀₃)上充/放電波形

??? 當C_in在f=120Hz下充電和放電時，在V_min處的紋波電壓ΔV最大。C_in充電峰值電壓

??? V_min(pk)=×V_in(min)=×85V=120V。

??? 若紋波電壓（峰-峰值）按不小于線路電壓的20％處理，可設ΔV=20V。于是，C_in放電谷底電壓V_min=V_min(pk)－ΔV=120V－20V=100V。C_in放電時間t_d可按照式（1）計算：

??? t_d=×（1）

??? 將已知數據代入式（1）可得：t_d=6.78ms。

??? C_in在放電期間輸入能量E_in為：

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

??? 根據E_in=·C_in·，可得：

??? C_in===132μF

??? 132μF是非標準電容。在圖3所示的應用電路中，C_in（C₁₀₃）選用的是82μF的鋁高壓電解電容器。在此種情況下，C_in放電終止電壓V_min因紋波電壓的增大不再是100V。假定C_in放電時的輸入能量不變，根據E_in的計算公式得到的結果是：V_min=86V。利用該結果計算I_pk時，余量較大。

??? 最大峰值初級電流I_pk在V_min和最大占空比D_max下出現。由于電流控制型SMPS的D_max應低于50％，若選取D_max=0.45，可得：

??? I_pk===2.2A

??? 初級方均根值電流I_rms可以按式（2）計算：

??? I_rms=I_pk·? （2）

??? 將I_pk=2.2A和D_max=0.45代入式（2）得到

??? I_rms=0.85A。

??? 在大多數關于變壓器初級電感量L_p的計算中，初級電流都選用I_pk。在變換器初級電感傳輸到次級的功率保持不變時，確定L_p時可以使用I_rms，從而使L_p的計算結果有較大余量。由于FPS的固定操作頻率f_s=70kHz，故L_p為：

??? L_p===0.65mH

??? 在I_pk、I_rms和L_p等參數確定之后，通常根據面積乘積公式A_p=A_e·A_W≥（L_p·I_pk·I_rms×104/420·K·B_max）1.31等來確定磁芯的選取。針對本設計實例，通過簡單的計算和經驗，可選用EFD3030磁芯，其有效截面積A_e=1.07cm²，窗口面積（線圈骨架繞組面積）A_W=2.23cm²，最大磁通密度B_max=0.168T。

??? 初級繞組匝數可由式（3）計算：

??? N_p=??? （3）

??? 將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。可選取N_p=80匝。

??? 在最大占空因數D_max上的初、次級繞組匝數比n為：

??? n==??? （4）

式中：V_d為次級整流二極管的壓降（選取0.6V）；

????? V_o為次級DC輸出電壓。

??? 設12V輸出次邊繞組匝數為N_V1，3.3V輸出繞組匝數N_V2，FPS偏置繞組匝數為NVCC，根據式（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計）。

??? 圖5示出了變壓器的結構，其主要參數如下：

圖5? 變壓器結構示意圖

??? 磁芯與骨架：EFD3030；

??? 繞組線徑和匝數：

??? 初級繞組N_p（腳1→2，腳3→2）：φ0.3×1，80T(40T＋40T)，L_p=0.65mH，最大漏感為10μH；

??? N_V1繞組（腳12→10）：φ0.3×2，13T；

??? N_V2繞組（腳8→7）：φ0.3×4，4T；

??? N_vcc繞組（腳5→6）：φ0.2×2，24T

??? 變壓器繞組之間和外層用2層0.05mm厚的聚酯型薄膜隔離。