開關(guān)穩(wěn)壓電源 MC33370 可編程狀態(tài)控制器

摘要：MC33370系列IC產(chǎn)品是美國摩托羅拉（Motorola）公司新近推出的五端單片開關(guān)電源集成電路。該系列產(chǎn)生具有較完善的工作狀態(tài)控制能力。本文闡述了它們的性能特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對其狀態(tài)控制方式進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，最后給出了構(gòu)成并關(guān)電源的典型實(shí)例。關(guān)鍵詞：開關(guān)穩(wěn)壓電源MC33370可編程狀態(tài)控制器1概述開關(guān)穩(wěn)壓電源以其小型化、重量輕和高效率而成為電源發(fā)展的方向，并且正在逐步替代串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源。美國摩托羅拉（Motorola）公司推出的MC33370系列五端單片開關(guān)電源集成電路具有MC33369?MC33374等五種規(guī)格，共17種型號(hào)。與美國動(dòng)力（Power）公司生產(chǎn)的TOPSwitch系列三端單片開關(guān)電源相比，該系列增加了電源端和狀態(tài)控制端兩個(gè)引出腳，特別是其內(nèi)部新增了可編程（開/關(guān)）狀態(tài)控制器，因此可通過其輸入端，并配合手動(dòng)按鍵、微控制器（MCU）、數(shù)字電路方式來完成對電源工作模式的選擇。這使得其控制功能更中完善,使用更加靈活，性能價(jià)格比更加優(yōu)越,可成為設(shè)計(jì)單片開關(guān)電源的首選集成電路之一。2MC33370系列的分類及特點(diǎn)該產(chǎn)品有三種封裝形式：DIP-8雙列直插式（P后綴），TO-220直列式（TV后綴），TO-220直彎式（TV后綴）。表1以TO-220直列式封裝為例說明了MC33370系列的部分產(chǎn)品分類。表1MC3370系列部分產(chǎn)品分及最大輸出功率型號(hào)最大輸入功率Pom（W）功率開關(guān)管（MOSFET）固定電壓輸入(110/115/230VAC)寬范圍輸入（85?265VAC）RDS(ON)(Q)ID(PK)(A)MC33369T2012120.5MC33370T4025120.9MC33371T75456.81.5MC33372T100654.82.0MC33373T125753.82.7MC33374T150903.02.7該系列的性能特點(diǎn)如下:?該系列IC較TOPSwitch系列增加了電源端和狀態(tài)控制器的輸入器。其狀態(tài)控制端利用可編程控制器及外部模式選擇電路可實(shí)現(xiàn)多種控制方式并可實(shí)現(xiàn)電源工作狀態(tài)和備用狀態(tài)之間的切換。同時(shí)該芯片內(nèi)部還增加了欠壓鎖定比較器、外部關(guān)斷電路和狀態(tài)控制器因而其性能價(jià)格比更優(yōu),外圍電路更趨簡單；?其功率開關(guān)管由一只高壓結(jié)場型場效應(yīng)管（JEET）和一只低壓MOS場效應(yīng)管（MOSFET）串聯(lián)而成，該結(jié)構(gòu)被稱為“敏場效應(yīng)管”電流傳感式功率開關(guān)管,利用它可無功耗地實(shí)時(shí)檢測出漏極電流的大小并進(jìn)行過流保護(hù)，而從提高電源效率；?當(dāng)交流電壓為固定值或變化量不超過±20%時(shí),可以省掉高頻變壓器的反饋線圈以及相應(yīng)的高頻整流濾波元件。這有助于簡化外圍電路、減少體積、降低成本；?占空比調(diào)節(jié)范圍寬達(dá)0.1?74%。而POWER公司的TOPSwitch-II為1.7%?67%;?電源效率高。由它構(gòu)成的單片開關(guān)電源或電源模塊的效率可達(dá)80%以上，而備用狀態(tài)下的靜態(tài)功耗僅為幾十至幾百毫瓦；?芯片溫度特性有了進(jìn)一步提高，過熱保護(hù)溫度典型值為157°C（TOPSwitch-II的設(shè)計(jì)參數(shù)為135C）。*內(nèi)部編暨電路X狀態(tài)控制器-*啟動(dòng)電路［HBA反饋揄入端欠壓鎖定比較器F|振占空比蕩時(shí)鐘器鋸齒波任儺上恒電/I—{外部關(guān)脫電路7.OkHs

依漉德波器nrLTLrL_『』』」項(xiàng)］p釁屜爰慈zv\A/\■vfp*內(nèi)部編暨電路X狀態(tài)控制器-*啟動(dòng)電路［HBA反饋揄入端欠壓鎖定比較器F|振占空比蕩時(shí)鐘器鋸齒波任儺上恒電/I—{外部關(guān)脫電路7.OkHs

依漉德波器nrLTLrL_『』』」項(xiàng)］p釁屜爰慈zv\A/\■vfp'Vr.P應(yīng)比較器MC33369?MC333742^10￥CKR分頓器"C功率開關(guān)IH管J^L態(tài)制人

狀控輸最小土通時(shí)間延退wT「前沿閉#f磷R(shí)s3管腳結(jié)構(gòu)及工作原理3.1管腳結(jié)構(gòu)MC33370系列IC的管腳排列如圖1所示。在MC33370系列IC中，采用DIP-8封裝的產(chǎn)品增設(shè)了4個(gè)GND端,但仍等效于五端器件，下面簡述其各管腳功能。Vcc（1腳）為工作電源電壓的輸入端，當(dāng)Vcc>8.5V時(shí),啟動(dòng)電路中的MOS場效應(yīng)管立即關(guān)斷，此時(shí)功率開關(guān)管開始工作。當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過載或短路故障而命名Vcc小于7.5V時(shí),功率開關(guān)管將會(huì)關(guān)斷，而此時(shí)供啟動(dòng)用的MOS場效應(yīng)管將開始工作。FB（2腳）為反饋輸入端，通過該端可將反映開關(guān)電源輸出電壓高低的反饋電壓經(jīng)內(nèi)部電阻接至誤差放大器的反相輸入端,以調(diào)節(jié)PWM比較器輸出脈沖的占空比,從而控制功率開關(guān)管的通、斷時(shí)間。GND（3腳）為接地端，該端除作為控制電路和功率開關(guān)管的公共接地端以外，還可兼作器件散熱器的地端。SCI（4腳）為狀態(tài)控制的輸入端，該端只需外接少許外圍元件即可用多種方式來控制變換器的工作狀態(tài)。D（5腳）為功率開關(guān)的漏極引出端，該端能直接驅(qū)動(dòng)高頻高壓器初級(jí)，并與內(nèi)部啟動(dòng)用MOS場效應(yīng)管的漏極相連。3.2MC33370系列器件的工作原理MC33370系列IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。配】低壓保護(hù)控制⑶數(shù)字信號(hào)控制足）禁用狀態(tài)控制圖3五種狀態(tài)控制電路原理圖在電路啟動(dòng)階段,交流電壓經(jīng)整流后從5腳直接加到啟動(dòng)電路，然后用啟動(dòng)電路給Vcc端的旁路電容充電。當(dāng)Vcc升至工作閾值電壓8.5V時(shí)，啟動(dòng)電路被關(guān)斷，啟動(dòng)過程自動(dòng)完成,芯片轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)，器件通過反饋線圈及外接取樣電路從2腳輸入反饋電壓。該反饋電壓首先在并聯(lián)調(diào)整器/誤差放大器中進(jìn)行緩沖放大，接著由IFB在反饋電阻RFB上形成誤差電壓Vr,然后用Vr來調(diào)節(jié)PWM比較器的輸出脈占空比，以控制功率開關(guān)管的通斷時(shí)間。當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，采樣電阻RFB上端的誤差電壓Vr也升高。而在與振蕩器輸出的鋸齒波比較后,輸出電壓的占空比將減少，從而使開關(guān)電源的輸出電壓隨之下降。反之亦然。與TOPSwitch系列相比,MC33370系列IC芯片的突出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在內(nèi)部增加了欠壓鎖定比較器、外部關(guān)斷電路和可編程狀態(tài)控制器。其中欠壓鎖定比較器的功能是在電源正常工作之前使芯片內(nèi)部各電路做好準(zhǔn)備工作，并檢測第2腳的反饋電壓。當(dāng)VFB>8.5V時(shí)，器件將接通內(nèi)部偏置電壓而使功率開關(guān)管工作。外部關(guān)斷電路的功能是防止開關(guān)電源因突然發(fā)生空載現(xiàn)象而導(dǎo)致輸出電壓的急劇升高它由外部關(guān)斷電路和觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)從外部流入關(guān)斷電路的反饋電流大于關(guān)斷門限電流（60mA）時(shí)，關(guān)斷觸發(fā)器將功率開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài),從而起到保護(hù)作用。狀態(tài)控制器配以少量外圍元器件便可構(gòu)成多種類型的智能控制開關(guān)電源通/斷電路,以完成對電源備用模式或工作模式的選擇。其控制信號(hào)可由外部按鍵開關(guān)來產(chǎn)生也可以是微控制器輸出的經(jīng)光耦隔離的信號(hào)或二者的組合信號(hào)等。圖3分別給出了幾種控制方式原理圖。在手動(dòng)控制模式中,按鍵開關(guān)每接通一次，即產(chǎn)生一個(gè)低電平的觸發(fā)請求信號(hào),該信號(hào)通過狀態(tài)控制器來控制開關(guān)電源的工作工作，從而使開關(guān)電源在工作模式和備用模式之間轉(zhuǎn)換。在微控制器控制模式中，微控制器可根據(jù)程序執(zhí)行情況，確定開關(guān)電源是否進(jìn)入以及何時(shí)進(jìn)入備用狀態(tài)。觸發(fā)請求按鍵用于將開關(guān)電源置于工作狀態(tài)，如果電源已經(jīng)處于工作狀態(tài)，則該按鍵將不起作用。低壓保護(hù)控制用來在電網(wǎng)電壓過低時(shí)關(guān)斷開關(guān)電源的輸出，其交流輸入電壓u經(jīng)整流濾波后得到的直流高壓V1可加至穩(wěn)壓二極管VDz的負(fù)極，當(dāng)u出現(xiàn)低壓時(shí)，將使?fàn)顟B(tài)控制器輸入低電平（1.8V）,此時(shí)狀態(tài)控制器將迫使開關(guān)電源立即從工作模式轉(zhuǎn)入備用模式;當(dāng)u恢復(fù)到正常值后，狀態(tài)控制器的輸入端變成高電平，從而通過狀態(tài)控制器內(nèi)部的置位比較器又將開關(guān)電源從備用模式轉(zhuǎn)入工作模式。數(shù)字信號(hào)控制模式可利用數(shù)字信號(hào)來控制開關(guān)電源的通斷，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為低電平進(jìn),晶體管VT截止,并由上拉電阻R使?fàn)顟B(tài)控制器輸入高電平，從而使開關(guān)電源處于工作狀態(tài);當(dāng)數(shù)字脈沖信號(hào)為高電平時(shí),晶體管VT導(dǎo)通，狀態(tài)控制器輸入低電平，再使內(nèi)部觸發(fā)器比較器翻轉(zhuǎn)，從而將開關(guān)電源又轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)。禁用狀態(tài)控制模式有兩種方式，其作用是在不需要對開關(guān)電源進(jìn)行通/斷操作時(shí)使?fàn)顟B(tài)控制端失效。其中方式一是采用上拉電阻R（要求R>5.0kQ）來保證正常的電路啟動(dòng)。而方式二則是利用在該端與地之間接入的一個(gè)小電容CST來防止懸空后外界干擾造成狀態(tài)控制器的誤操作。

YD1-YD41000pF/i$QO￥:CH|的WEVD7WBR2ai&0CTSB15V/6-0A圖49(陽開關(guān)電源的應(yīng)用電路4典型應(yīng)用MC33370系列單片開關(guān)電源的應(yīng)用非常廣泛，可用來構(gòu)成輸出功率在150W以下的各種開關(guān)電源，圖4給出了采用MC33374設(shè)計(jì)的15V/90W高精度開關(guān)電源的應(yīng)用電路，其交流輸入電壓的允許變化范圍為92?276V。YD1-YD41000pF/i$QO￥:CH|的WEVD7WBR2ai&0CTSB15V/6-0A圖4中，交流電網(wǎng)電壓經(jīng)整流橋VD1?VD5和濾波電容C1整流濾波后進(jìn)入初級(jí)保護(hù)電路。初級(jí)保護(hù)電路由R2、C2組成的吸收電路和由VDZ、VD5組成的箝位電路構(gòu)成，它們能有效地抑制因高頻變壓器存在的漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓。次級(jí)高頻整流管VD7選用大電流、低壓降的肖特基二極管MBT20100CT，由8、C11、L、C12、C13組成輸出濾波電路?？烧{(diào)試并聯(lián)穩(wěn)壓器IC3構(gòu)成外部誤差放大器，它與光耦合器IC2(MOC8103)一起構(gòu)成光耦反饋電路并將反饋電壓加至MC33374的反饋端。當(dāng)輸出電壓V0發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)分壓電阻R5、R6分壓后得到的取樣電壓與IC2中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,以產(chǎn)生外部誤差電壓，再通過光耦合器使IC1和2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并以此來調(diào)節(jié)輸出占空比，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。C14是一個(gè)可防止高頻變壓器初次級(jí)間耦合電容造成共模干擾的濾波電容C4、R7和SB