摘 要： 介紹了一種基于集成PWM和SenseFET的開關電源芯片FSL206MR的離線式開關電源設計，詳細分析了反饋電路和降壓拓撲的工作過程及設計方案。采用NPN晶體三極管MMBT2222A和穩壓管BZX84C13組成反饋網絡。該開關電源性能優良，具有結構簡單、穩壓效果好、易封裝等優點，具有很高的生產應用價值。
關鍵詞： FSL206MR；離線式開關電源；反饋電路；降壓型拓撲設計
開關電源被譽為高效節能電源，與傳統的線性電源相比，開關電源內部功率損耗小、轉換效率高、體積小、重量輕，而且電路形式靈活多樣，選擇余地大，因此開關電源被廣泛應用于電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。開關電源采用功率半導體器件作為開關的器件，通過周期性間接工作，控制開關器件的占空比來調整輸出電壓[1]。
本文介紹了飛兆半導體專為最少外部組件的高性能離線式開關電源（SMPS）而設計的電源芯片FSL206MR[2]。本文設計了由FSL206MR構成的15 V、5 V的高頻開關電源模塊。該模塊可應用于DVD播放器或機頂盒的開關電源、電機智能功率模塊的供電電源、輔助電源的開關電源等控制供電電源，有很好的應用前景。
1 FSL206MR的主要性能特點和工作原理
1.1 性能特點
FSL206MR是飛兆半導體智能電源開關系列的一款高性能離線式電源芯片。此器件集成了高壓功率調節器，合并了雪崩耐用650 V SenseFET和電流模式PWM控制模塊。FSL206MR具有67 kHz精確的固定工作頻率。內置了軟啟動和自重啟保護電路，無需輔助偏置繞組。內部高壓啟動開關和突發模式運行使用極低的工作電流，降低了待機模式下的功耗。
1.2 工作原理
FSL206MR的內部框圖如圖1所示，主要包括以下部分：
?。?）啟動：啟動時，內部高壓電流源提供內部偏置并對連接到VCC引腳的外部電容（CA）充電。位于VSTR和VCC引腳之間的內部高壓調節器HV/REG將VCC調節為7.8 V，并提供工作電流。因此，FSL206MR無需輔助偏置繞組。
?。?）反饋控制：FSL206MR采用電流模式控制。通常使用光電耦合器和電壓調節器來實現反饋網絡。通過比較反饋電壓與RSENSE電阻兩端的電壓，可實現開關占空比的控制。當電壓調節器參考引腳電壓超過內部參考電壓2.5 V時，光電耦合器LED內部電流會增大，反饋電壓VFB被拉低，并且占空比減小。這種情況通常在輸入電壓增高或者輸出負載降低時會發生。
?。?）保護電路：保護功能包括過載保護（OLP）、過壓保護（OVP）、欠壓鎖定（UVLO）、線路欠壓保護（LUVP）、熱關斷（TSD）以及異常過流保護（AOCP），所有保護的自動重啟模式。這些保護電路完全集成在IC中，因此能在不增加成本的情況下提高穩定性。如果出現故障，開關將終止，且SenseFET保持關斷。這會導致VCC開始下降。當VCC達到UVLO停止電壓VSTOP（7 V）時，保護功能被重置，并且內部高壓電流源通過VSTR引腳為VCC電容器充電。當VCC達到開啟電壓VSTART（8 V）時，FPS恢復正常工作。
?。?）軟啟動：FSL206MR具有內部軟啟動電路，它啟動后能夠緩慢地增大反饋電壓和SenseFET電流。啟動過程中允許SenseFET電流逐漸遞增，輸入功率開關器件的脈寬逐漸增加，輸出電容器上的電壓逐漸增加，可順暢地建立所需的輸出電壓。
2 開關電源設計實例
開關電源的結構如圖2所示，它主要由220 V交流電壓整流、DC/DC變換器、Buck拓撲變換器組成。
220 V交流市電經EMI濾波整流后接入DC/DC開關電源轉換電路，通過比較FSL206MR反饋電壓VFB與內部電流感測電阻RSENSE電阻兩端的電壓實現開關占空比的控制，反饋電壓被拉低時，占空比減小。FSL206MR內部SenseFET的間歇式開關作用于后級Buck拓撲的變換器上間歇式地對Buck斬波電路中電感進行充電，使得最終輸出電壓Vo1平穩輸出。Vo1后級接入常用的7805系列變換器MC78L05為系統提供5 V的電源Vo2。
2.1 輸入整流濾波電路設計
輸入整流濾波電路包括交流濾波、整流部分和整流濾波電路[4]。在交流電源輸入端，基于安全考慮和EMC考慮，采用耐壓極高的安全電容來抑制EMI傳導干擾。X電容選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容來消除交流輸入差模干擾，吸收電網中的高次諧波，此時必須在X電容的兩端并聯一個安全電阻，用于防止電源線拔插時，該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電[5]。交流輸入與地之間選用直流耐壓很高并且對地漏電電流小的Y電容來消除交流輸入共模干擾。交流輸入零線上接入負溫度系數的壓敏電阻，防止安全電容過沖現象。具體參數如下：X電容XC2選用0.33 ?滋F/275VAC；安全電阻MOV1選用壓敏電阻MOV-14D471K；YC1、YC2、YC3選用2 200 pF/450V。整流部分直接選用單相整流橋KBPC806，具有600 V的反向耐壓值，輸出電流最大可達到8 A。整流濾波電路選用NICHICON公司的兩個紋波電流為1 100 mA、容量為220 ?滋F的鋁電解電容并聯，相當于可消除最大2.2 A的電流紋波成分，將整流后的殘留交流旁路回流，利用電容充放電特性使輸出電壓穩定在平滑的平均值，并且利用電容的峰值充電特性使輸出直流電壓近似等于脈動峰值電壓，提高輸出效率[6]。整流部分電路圖如圖3所示。
2.2 反饋回路設計
根據FSL206MR反饋控制的原理設計反饋回路，要求得到輸出為15 V電壓，并且使用最少外部電路的原則，采用NPN晶體三極管、穩壓管和快速整流管組合電路實現反饋電路的設計。
FSL206MR的控制原理如下：FSL206MR的6、7、8漏極可以連接最高650 V的直流電壓，它的工作原理是根據反饋電壓的大小以PWM方式控制內部SenseFET的開關，間歇性對后級的Buck拓撲電路進行充電。當電路接入交流市電時，通過整流電路后VCC電壓約為311 V。311 V電壓通過S1J整流管直接加到漏極和引腳5（VSTR），啟動時，內部開關提供內部偏壓，并對放置在引腳2（VCC）與引腳1（GND）間的外部電容VFB（C22）充電。一旦VCC達到8 V，所有內部模塊都被激活。內部高壓調節器（HV REG）不定期導通和關斷，使VCC維持在7.8 V，滿足芯片要求的電源輸入。反饋電壓端引腳3（VFB）最終連接到PWM比較器的同相輸入端，包含一個內部連接的0.11 mA電流源，內部模塊激活后，IFB通過二極管向外部電容CFB（C24）充電，直到外部電壓高于2.4 V后，二極管截止，內部2.7 ?滋A的電流源IDELAY向CFB繼續充電至5 V時，開關操作截止，這種電路特性用來實現電路的過載保護特性。本文設計中引腳2（VCC）外部是通過輸出電壓15 V經過快速整流二極管D8（ES1J）、二極管D4（1N4148）和電阻連接的，這樣連接可以很好的使用FSL206MR芯片中過壓保護的設計，當VCC超過24.5 V時過壓保護電路被激活，導致開關操作截止保護后級電路。反饋電路核心設計思想是使用FSL206MR內部結構中SenseFET間歇開關的設計，間歇運行可以實現最大限度地降低待機模式的功耗。隨著負載減小，反饋電壓也隨之減小，反饋電壓降至VBURL時，器件自動進入間歇運行模式，開關過程繼續進行，直到反饋電壓降至VBURL以下，開關停止，輸出電壓由于負載耗能而降低，同時反饋電壓會增加，直到反饋電壓超過VBURH時，開關操作恢復。反饋電壓隨之降低，此過程將重復進行。間歇模式會交替使能和禁用SenseFET的開關，并降低待機模式的開關損耗。本文設計的反饋電路是將反饋電壓引腳VFB連接三極管Q1（MMBT2222A）的集電極，Q1的發射極連接到芯片的管腳1（GND）上，這樣控制Q1的導通和關斷就可以調節VFB電壓，使得芯片工作在間歇模式下。設計中需要輸出電壓為15 V，因此將輸出電壓通過快速整流二極管D8和13 V的穩壓管D7（BZX84C13）與電阻R24串聯至Q1的基極。這樣SenseFET導通和關斷形成PWM充電模式，通過Buck降壓電路至輸出電壓端，間歇式向電感L3充電，直到電感右端電壓到15 V時，13 V穩壓管D7導通，這時流過D8整流管的電流等于流過二極管D4的電流和穩壓管D7電流之和ID8=ID4+ID7。通過查閱器件的數據手冊得到D4（1N4148）的前向電流為150 mA，D7（BZX84C13）的反向導通電流為5 mA，可以得到ID8=155 mA，根據D8（ES1J）手冊提供的前向電壓和前向電流關系圖可以得到D8的前向電壓為1.3 V。設計的輸出電壓為15 V，則需要輸出電壓為15 V時內部SenseFET開關關斷，也就是VFB電壓需要低至VBURL，根據設計則需要Q1導通，相當于VFB與GND相接。要使三極管導通則需要三極管基極電壓大于開啟電壓VBE（SAT）（0.7 V），這樣就可以達到設計要求的輸出電壓V=VD8+VD7+VBE（SAT）=15 V。當輸出小于15 V時，Q1截止，VFB增加，SenseFET開關導通，向Buck電路電感充電；輸出高于15 V時，Q1導通，VFB降至VBURL以下，SenseFET開關截止，通過Buck電路向負載供電，電路進入間歇工作模式，使輸出電壓穩定在15 V。
2.3 Buck拓撲電路設計
Buck拓撲電路選用傳統的Buck降壓斬波電路，設計中電路由D9、L3和C25構成（圖5所示）。具體的工作原理如圖4所示。
Buck拓撲電路的設計是根據電感和電容的儲能特性設計的，在SenseFET的導通和關斷狀態下，電路產生不同的工作模式。導通時，電感儲能電壓UL=Vin-Vout=L■；關斷時，二極管D導通，形成回路電感將導通時存貯的能量釋放，輸出電壓UO=UL。
根據設計要求，輸入電壓VIN=311 V，輸出電壓VOUT=15 V，輸入最大電流IINMAX=8 A，輸出最大電流IOUTMAX=0.6 A，選用的二極管D9（UF4005）的導通壓降VD=1.7 V，SenseFET的導通壓降VSW=1.5 V。對于Buck電路，導通時電感電壓VON=VIN-VSW-VOUT=311-1.5-15=294.5 V，關斷時電感電壓VOFF=VO+VD。應用秒伏數定律[3]Buck變換器的占空比方程：
電感電流IL=IOUTMAX=0.6 A，SenseFET的開關頻率fSW=67 kHz。根據Buck電路電流紋波率曲線選取電流紋波率r=0.4最佳值，電流紋波是單位電感的伏秒數，電流紋波率為：
因此選取L=1 mH，額定電流大于720 mA的功率電感。Buck電路需要輸出電容減少降壓轉換器輸出電壓過沖和紋波，輸出電壓過沖可以根據下列公式計算得出：
![]_$0`0D7Y1OC]$DS33}BTY7.png](http://files.chinaaet.com/images/2015/05/11/6356697249629100009126736.png "]_$0`0D7Y1OC]$DS33}BTY7.png")
設計輸電電壓可以有10%的紋波存在?駐V=VOUT·10%=1.5 V，計算得出CO=10.9 ?滋F，為了留取足夠的余量選取CO為100 ?滋F/50 V的電容。
3 實驗結果及分析
經過仔細分析、設計、安裝、調試，制作了基于電流型脈寬調制芯片FSL206MR的離線式開關電源，原理圖如圖5所示。在交流輸入為市電220 V/50 Hz時，實測不同負載下輸出電壓（表1）表明該開關電源工作穩定，該設計基本達到設計要求，驗證了理論的可行性。
基于FSL206MR電源芯片設計的離線式開關電源直接從市電取電，不像線性電源中需要工頻變壓器，設計采用非隔離式DC/DC變換器使得外部器件及輔助電路最簡，減小元件對電路損耗。經過實際應用驗證該開關電源設計具有電源裝置的小型化、最簡化、高效化、高經濟性和穩定性好的優點，發揮了FSL206MR各種電路保護功能，可靠性良好，有很好的經濟前景。
參考文獻
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[5] 岳中哲.反激式開關電源的環路分析與設計[J].電子技術應用，2012（6）：61-64.
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