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具有低功耗待机和PFC功能的开关电源控制器
摘要：TDA16846-2和TDA16847-2是英飞凌公司生产的改进型开关电源(SMPS)控制器芯片。文中介绍了其主要特点，重点介绍了基于TDA16846-2的彩电SMPS电路工作原理。关键词：SMPS；控制器；TDA168460-2/TDA16847；PFC
１概述
英飞凌(Ｉｎｆｉｎｅｏｎ)公司推出的ＴＤＡ１６８４６和ＴＤＡ１６８４７开关电源控制器自投放市场以来，在ＴＶ、ＶＣＲ、ＳＡＴ接收机及ＰＣ监视器等ＳＭＰＳ中获得了广泛应用。目前对这两种控制器进行了改进，并将改进和创新后的器件称为２型或第二代产品，型号分别为ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２是支持低功率待机和功率因数校正?ＰＦＣ?的ＳＭＰＳ控制器，可用于固定频率ＰＦＣ或同步模式反激式变换器中，该产品既可以驱动功率ＭＯＳＦＥＴ，也可以驱动双极型功率器件。ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２在轻载下具有低功耗性能，其开关频率可以随负载减轻而逐步降低。
２ＴＤＡ１６８４６－２／４７－２的结构特点
ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２采用１４脚Ｐ－ＤＩＰ－１４－３封装，其引脚排列如图１所示。图２是这两种芯片的内部结构图。
这两种器件的不同点是ＴＤＡ１６８４６－２的８脚不接，而ＴＤＡ１６８４７－２的８脚为暂态高功率电路的电源功率管理输出（该脚通过一只电容和一个ＲＣ电路与地相连)。两种器件的引脚功能如表１所列。
表1引脚功能
引脚符号
功能
1OTC内置截止时间电路，该脚与地之间连接RC电路，决定振铃抑制时间和待机频率2PCS初级电流模拟（检测）3RZ1调整和过零信号输入4SRC连接软启动和控制电压调节电容器5OC1光耦合器输入6FC2不连接（TDA16846-2）/该脚电压大于1，2V，SMPS截止）7SYN同步输入8N.C./PMO不连接（TDA16846-2）/暂态高功率电路功率管理输出（TDA16847-2）9REF参考电压和电流10FC1故障比较器1输入（该脚电压大于1V,SMPS截止）11PVC初级电压检测12GND地13OUTMOSFET栅极驱动输出14VCC电源电压
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２除具有软启动、低功耗、低启动电流及欠压／过压保护、电流限制／短路保护及静电放电?ＥＳＤ?保护功能外，还具有如下主要特点：
●带有ＰＦＣ，并采用电荷泵电路；
●频率随负载减轻可连续降低，在待机模式下，频率可调至２０ｋＨｚ；
●可在固定频率或同步模式下操作；
●带有临时高功率电路（ＴＨＰＣ)，具有电源管理功能(仅ＴＤＡ１６８４７－２)。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２的５脚（ＯＣＩ）输入电压范围扩大到０Ｖ，该脚与地之间不再需要连接电阻；７脚（ＳＹＮ）改进了启动特性，阻止了变压器饱和；１１脚（ＰＶＣ）通过加入尖峰信号消隐，提高了抗噪扰能力；１３脚（ＯＵＴ）减小了截止态输出电压电平；１４脚（ＶＣＣ）通过尖峰消隐，改善了抗噪性能。
与先前的ＴＤＡ１６８４６／ＴＤＡ１６８４７比较，ＴＤＡ１６８４６－２和ＴＤＡ１６８４７－２除进一步强化了低功率待机功能外，还在抗噪性能方面具有明显改善。
ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２支持低功率待机功能，在彩电等应用系统中具有重要意义。美国“能源之星”等标准要求电视机的待机功耗不大于３Ｗ，根据中国节能产品认证中心?ＣＰＣＥ?抽样调查，国产彩电待机功耗低于３Ｗ的只占被测彩电总量的１３．４％，而９Ｗ以上的却占３４．８％。目前待机功耗低于３Ｗ的国产彩电系列品种虽有较大增加，但距全部实现低于３Ｗ的目标尚有一定距离。使用ＴＤＡ１６８４６－２／ＴＤＡ１６８４７－２设计的彩电ＳＭＰＳ可以满足低待机功耗的要求，而且可以降低成本。
图2
３应用电路及工作原理
用ＴＤＡ１６８４６－２作控制器的ＳＭＰＳ电路如图３所示。为执行ＰＦＣ，该电路在桥式整流器与１５０μＦ的滤波电容Ｃ０７之间插入了由电感Ｌ０８、二极管Ｄ０８和电容Ｃ０８组成的电荷泵电路，这样配合功率开关(Ｔ０１），就可在桥式整流器输入端产生接近正弦波的ＡＣ电流，且与ＡＣ线路电压接近同相位，从而使线路功率因数(ＰＦ）远远大于０.９０，电流总谐波失真(ＴＨＤ）低于２０％。
３．１启动特性
ＳＭＰＳ加电之后，由于滤波电容Ｃ０７正极上有直流干线电压，所以与ＩＣ１２脚连接的电阻Ｒ２２将有电流通过。该电流从ＩＣ１的２脚流入，经２脚与１４脚内部连接的二极管?参见图２?对１４脚外部电容Ｃ２６充电。一旦Ｃ２６上的充电电压达到１５±０．５Ｖ的导通电平以上时，芯片开始工作。器件１４脚上Ｖｃｃ导通电流典型值为５ｍＡ，通过Ｃ２６放电使１４脚上的电压下降，在尚未降至欠压关断门限时，变压器的辅助绕组(７Ｔ）将通过ＩＣ１４脚外部二极管Ｄ２６对芯片提供所需的电流。当ＩＣ在固定频率下工作时，为防止在启动期间出现多重脉冲，可在ＩＣ１的３脚脉冲电压超过２．５Ｖ门限之前，使ＩＣ１工作于自由振荡(ｆｒｅｅｒｕｎｎｉｎｇ）模式。
３．２初级电流模拟／电流限制
电路中ＩＣ１的２脚外部电阻Ｒ２２和电容Ｃ２２用于产生一个与功率晶体管Ｔ０１电流成正比的电压。在Ｔ０１截止时，脚２上电压为１．５Ｖ，这样当Ｃ２２通过Ｒ２２被充电时，Ｔ０１将处于导通状态。此时脚２上的电压Ｖ２可表示为：
Ｖ２＝１．５Ｖ＋ＬＰＩＰ／（Ｒ２２Ｃ２２）
式中，ＬＰ为变压器初级绕组电感，ＩＰ为通过功率晶体管的电流。
Ｖ２一般施加到ＩＣ２脚内的导通时间比较器的同相输入端，并与反相输入端上的控制电压比较。如果Ｖ２超过控制电压，驱动器阻断，以起到电流限制作用。控制电压最大值是ＩＣ１内的５Ｖ参考电压。功率晶体管的最大电流ＩＰ(ｍａｘ）为：
ＩＰ(ｍａｘ）＝[(５Ｖ－１．５Ｖ）Ｒ２２Ｃ２２]／ＬＰ
控制电压可由ＩＣ１内的误差放大器、光耦合器或ＩＣ１脚１１上的电压(Ｖ１１）来决定。
图3
３．３折回(ＦｏｌｄＢａｃｋ）点校正
ＩＣ１脚１１（ＰＶＣ)上的电压Ｖ１１可从连接到ＤＣ总线与地之间的电阻分压器（Ｒ２３与Ｒ２４)上获得。如果经整流的总线电压升高，功率晶体管的最大电流ＩＰ（ｍａｘ)将减小。实际上，最大电流ＩＰ（ｍａｘ)是独立的，与ＤＣ总线电压无关。可表示为：
Ｉｐ（ｍａｘ)＝[（４Ｖ－Ｖ１１／３)Ｒ２２Ｃ２２]／Ｌｐ
３．４截止时间电路?ＯＴＣ?
ＩＣ１脚１（ＯＴＣ)外部与地之间连接的Ｒ３０和Ｃ３０用于组成ＲＣ并联网络。当ＩＣ１驱动器关断时，内部电流源首先用０．５ｍＡ的电流对脚１外部电容Ｃ３０充电。一旦脚３（ＲＺＩ)上电压达到２．５Ｖ，充电电流将达到１ｍＡ，直到Ｃ３０上的电压被充电到３．５Ｖ为止。Ｃ３０的充电时间约为τ＝（Ｃ３０×１．５Ｖ)／１ｍＡ。
当Ｃ３０上的电压达到３．５Ｖ以后，内部电流源将被切断，Ｃ３０通过Ｒ３０放电。当ＩＣ１脚１上的电压施加到内部截止时间比较器时，比较器的另一个输入就是控制电压。当截止时间比较器输出高电平且脚３上的电压低于２５ｍＶ时，内部导通时间触发器置位，以保证功率晶体管在最小的电压时接通。如果没有过零信号则进入ＩＣ１脚３，那么，在脚１上的电压低于１.５Ｖ之前，功率晶体管将经过一段延时之后接通。只要脚１上电压高于被限制的控制电压，导通时间触发器就会截止，以抑制脚３上不适当的过零信号。而一旦控制电压低于２Ｖ，关断时间将达到恒定的最大值(≈０．５６Ｒ３０Ｃ３０）。表２列出了控制电压与输出功率及截止时间的关系。
表2控制电压与输出功率、截止时间关系
控制电压输出功率截止时间1.5～2V低不变（达最大值）2～3.5V中减小3.5～5V高自由振荡
实际上，变换器开关频率是输出功率的函数。
ＴＤＡ１６８４６－２的负载从属频率曲线如图４所示。
３．５误差放大器／软启动
ＩＣ１的（ＲＺＩ)３脚是误差放大器和过零信号输入，（ＳＲＣ)４脚是控制电压输入。误差放大器的同相输入端是５Ｖ参考电压。ＩＣ１脚３上的输入信号可从变压器辅助绕组经Ｒ３８和Ｒ２９组成的电阻分压器获得。如果脚３上的输入脉冲高于５Ｖ门限时，脚４上的控制电压将被拉低。因此，脚４与地之间连接的电容Ｃ２５可用于决定控制电压的控制速度和软启动持续时间。
３．６固定频率与同步化操作
在图３所示的应用电路中，由于ＩＣ１的７脚与９脚（５Ｖ参考电压输出)是连接在一起的，故ＩＣ１工作在自由振荡调节模式。
若要求ＩＣ１在固定频率下操作时，脚７与地之间必须连接并联ＲＣ网络（Ｒｏｓｃ与Ｃｏｓｃ)，此时，其开关频率ｆｓｗ将由Ｒｏｓｃ与Ｃｏｓｃ设定：
ｆｓｗ≈１．２／Ｒｏｓｃ·Ｃｏｓｃ。
因此，当Ｒｏｓｃ＝２０ｋΩ、Ｃｏｓｃ＝４７０ｐＦ时，ｆｓｗ＝８８ｋＨｚ。
欲使ＩＣ１工作在同步模式，脚７上加入的同步信号频率必须高于振荡器的频率。
ＴＤＡ１６８４７－２的应用电路与ＴＤＡ１６８４６－２的应用电路相比，除ＴＤＡ１６８４７－２的８脚外部与地之间需要连接一只１００ｐＦ的电容及ＲＣ?Ｒ＝１ＭΩ，Ｃ＝４．７μＦ?电路外，其它部分几乎完全相同。
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