555集成电路应用简介
摘要：系统介绍了一种ac-dc电源管理方案，给出了该芯片的电路工作原理和设计方法。该电路包括pwm控制器、过流、过热、过压保护功能、自动重启动功能，具有效率高，外围元件少等特点， 后给出了仿真结果。
1.引言
开关电源是近几年电源市场的焦点之一，它 大的优点是大幅度缩小变压器的体积和重量，这样就缩小了整个系统的体积和重量。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。所以开关电源对低档的线性电源，尤其是20w以下的线性电源构成了威胁，大有取而代之之势。但是传统的开关电源除了pwm和功率mosfet之外还包括50个左右的分立元件，这不但增加了成本、体积，而且还使可靠性受到了影响。这主要是生产工艺上的原因，开关电源在集成化上一直没有突破。
近几年，随着生产工艺技术的成熟，已经能将低压控制单元和高压大功率管集成到同一块芯片之中。ti、on semiconductor、power、 integrations等公司都已经有类似的产品，而国内则几乎是一片空白。由于开关电源在体积、重量、效率以及可靠性上的优势，它的研究和发展速度是惊人的。其主要应用领域有：①邮电通信：作程控交换机、移动通信基站电源；②计算机：作为各种pc机、服务器、工业控制机的开关电源；③家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等；④其他行业：如电力、航天、军事等领域。
根据工艺的发展和市场的需要，将核心部分功率mosfet和低压pwm控制器集成在一块芯片中。同时，还具有过热保护、过压保护、欠压锁定、自动重启动、过流保护等功能。这种新型的开关电源集成电路给电源系统带来了很多优势。该芯片交流输入可直接从电网接入，应用功耗低，成本低，体积小，同时还提高了系统的稳定性，降低了成本，使电子工程师的设计更加简单。该芯片可用于驱动一个单端接地电源系统，如接一个振荡回扫的二次线圈变压器后输出一直流电压。
2.工作原理
此开关电源为一中频集成模块，设计频率为100khz， 大占空比为70％，它包括一个恒频脉宽调制器和一个高集成度电源开关电路。这个组合开关的高压侧可对从85~265v的交流电压进行连续控制，可以应用于多数常规电源系统。
通过一个光电耦合管，将负载变化情况反馈到芯片内部，反馈信号在2.7k的电阻上产生电压降，经过7khz的低通滤波器，把高频开关噪音滤掉，以直流电压形式输入到pwm模块进行调节，产生占空比随反馈信号变化的脉冲波，通过驱动电路驱动功率mosfet，从而实现了pwm的调节。除此之外，功率mosfet的源极接一电阻，来实现每周期的限流保护[1]。
正常情况下，1/8分频器输出信号使得功率mosfet导通，若故障发生，它的输出信号使得功率mosfet关断，并且它自身开始计数，第1个周期，功率mosfet导通。若没有排除，以此规律循环下去；若故障排除，则进入正常工作状态。该ic外接变压器，实现ac-dc功能后，不同规格的变压器可获得不同的直流电压。
3.内部功能模块介绍
3.1 振荡器电路
振荡器利用两个比较器轮流导通，对电容进行充放电，获得了在电压在2.7~4.1v震荡的锯齿波。其设计频率为100khz，占空比为70%。对电容充放电时，利用mos管饱和区工作电流恒定的原理，实现恒流充放电。
占空比的设计也是需要考虑的，当占空比提高后，整个ic及外接电路构成的电源效率都会提高。但是又不能无限的提高，使之接近100％，这主要是变压器磁通的建立和恢复是有时间限制的。同时，长时间的导通，功率mosfet容易烧坏。
3.2 偏置电路
该电路采用三管能隙基准电源。
3.3 pwm调制电路
由光耦管耦合过来的反应负载变化情况的信号首先经过一个7khz的低通滤波器，然后送到pwm比较器和振荡器产生的锯齿波进行比较，从而实现脉宽调制。
3.4 过压保护，欠压锁定电路
设计的内部电路工作电压环境为7.5~8.6v，由比较器c1，c2和电阻r1、r2、r3、r4组成。由于迟滞比较器的作用，当vcc处于7.5~8.6v时，ic正常运行。当vcc>8.6v时，c1输出高电平，直接使放电nmos管导通，进行放电。该nmos管设计得比较大，这样可以迅速地放电，使ic及时地回到安全状态。若该vcc故障仍然存在，将用八分频计数器来计数。这个八分频计数器使得功率mosfet关闭，电容将在8个连续周期内反复充放电，8个周期后，若故障排除，整个ic进入正常工作状态，功率mosfet开通。这种设计可大大减少功率mosfet的耗散功率。当内部工作电压vcc<7.5v时，c1输出一低电平，关闭驱动，同时驱动高压启动电路，对外接10μf电容进行充电。同时，该低电平也送入计数器计数，这样便实现了自启动功能。一般说来vcc<7.5v，是由负载短路或过载引起电源变压器的附加线圈输出电压失落，没有足够的电压对芯片供电所致。
3.5 热关断电路
故障状态，稳压管的温度系数为正，而晶体管的vbe 为负温度系数。
同样计算可得vh(150℃)＝0.46v，这样q2 导通，vout为低电平。此信号直接关断功率mosfet。同时这个脉冲信号也输入到1/8分频器，做计数用。
3.6 高压启动电路
当ic上电后，整个ic处于建立工作环境的状态。vdmos的栅极为高电平，则该管导通，out端有充电电流。当vcc达到8.6v时，过压保护电路送来信号vstart为一低电平，使得p2导通，这样vdmos截止。另外r1的作用是充电电流过大时，使p1、q1导通，使vdmos截止，起到保护作用。此充电电流能力设计值为3ma，超过该值，vdmos就会截至。根据计算，整个ic建立工作环境所需的时间为40ms，与实际仿真结果相符。
3.7 驱动电路
设计驱动电路的目的是为了去除驱动信号的毛刺和对功率mosfet的栅极起保护作用。正常时，n1、n2、n3都处于截止状态。当电路内部电源电压vcc由低电平突然变为高电平时，电容c两端电压不能突变，这样n1导通，使输出为0。另外当ic突然上电时，由于功率mosfet的栅漏电容的存在，使栅极的电压为高电平，但是由于设计中加了电阻r和n3的存在，对栅极构成旁路，起到保护作用。 后就是如果ic突然断电时，则功率管漏极没有大电流供给。如果此时驱动为高电平，则可以从r上卸流， 终使低电平变低。总之，n1、n2、n3对功率mosfet 的栅极起保护作用[4]。
3.8 前沿消隐电路
前沿消隐电路。正常时，a点电压较低，2管导通，则c2输出为高电平；故障时，也就是功率mosfet的电流过大时，a点电位升高，使得2管关闭，这样c2输出为低电平，出现故障脉冲。值得一提的是，2管的栅极输入信号和它的源极输入信号不是同步的，这样设计的好处是可以避免短暂时间内电流过大的情况。若电流一直很大，则可以发挥前沿消隐作用。这两个信号的延时大小由几级反相器和电容构成，其中以电容的贡献 大，其设计延时时间为200ns[5]。
4.仿真结果
仿真过程中，着重对正常运行、过压、欠压、过流、过载等情况做了分析。
5.结论
本文设计了一种适用于便携式设备的功率开关电源的ic，通过对其功能及特性的分析，设计了各个子模块的电路，并对其进行了模拟仿真。结果表明，负荷调节灵敏、精确，各种保护电路动作及时可靠。
