当LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6

LCD监视器开关电源功率开关调整器FS6M07652RTC特点及应用

摘要：FS6M07652RTC由SenseFET及其控制IC组成，专门为LCD监视器电源和适配器设计。叙述了FS6M07652RTC的特点、应用电路和设计考虑。

关键词：LCD监视器；开关电源功率开关；调整器

1 引言

FS6M07652RTC是美国Fairchild公司为LCD监视器回扫式SMPS而专门设计的一种功率开关调整器。同其它Fairchild功率开关（简称FPS）一样，FS6M07652RTC是将带电流感测功能的MOSFET（被称作SenseFET）及其控制IC内置于同一封装之内，属于二合一组合器件。快捷（即仙童）FPS是在韩国三星功率开关（SPS）的基础上发展起来的功率开关调节器系列器件。几年前，快捷收购了三星的半导体功率器件部之后，将SPS更名为FPS。与现存和先前的FPS系列器件比较，FS6M系列FPS在性能和可靠性方面都有较大改进和提高。FS6M07652RTC中的SenseFET额定电流/电压（限制值）是2A/650V，并可承受7A的连续漏极电流。

2 主要性能与特点

FS6M07652RTC采用空间节省的5脚TO-220F封装，如图1所示。

图1 封装及引脚排列

FS6M07652RTC内置SenseFET和控制IC，图2示出了其内部结构框图。

图2 FS6M07652RTC内部结构框图

FS6M07652RTC脚1（DRAIN）是SenseFET的漏极；脚2（GND）为接地端；脚3（Vcc）是电源电压施加端；脚4（Vfb）为反馈端；脚5（S/S）是软启动电容器连接端。

FS6M076TORZENMarathon改性聚合物提升了抗热老化性能52RTC的主要性能与特点如下：

1）内置耐压至少是650V的SenseFET和前沿消隐（LEB）电路，无需在外部连接电流感测电阻和RC低通滤波元件；

2）PWM控制器带70kHz的固定工作频率（无需在外部连接RT和CT定时元件），占空比可达80％；

3）控制IC的VCC启动门限电压为15V，启动电流低于170 A，欠电压锁定（UVLO）门限是9V，带6V的滞后；

4）为在显示电源管理信号传输（display Power Management Signalling，缩写为DPMS）状态下有一个低功率消耗，内置突发模式控制器，提供待机模式下的突发模式操作；

5）内置各种保护电路，其中包括：

33V的过电压保护（OVP）；

逐周电流限制、过电流闭锁保护（OCP）和过载保护（OLP）；

门限为160℃的热关闭保护（TSD）。

故障条件一旦解除，控制IC可以自动重新启动。

FS6M07652RTC带有最佳化的栅极驱动器和软启动功能，器件适用于宽范围的世界通用AC输入线路电压。

3 应用电路及变压器设计

3.1 应用电路及工作原理

FS6M07652RTC主要适用于LCD监视器电源和AC/DC适配器，用其作为功率开关调整器的LCD监视器回扫式SMPS电路如图3所示。

图3 由FS6M07652RTC组成的LCE监视器回扫SMPS电路

这种回扫式变换器的AC输入电压范围为85～265V，两路DC输出分别为12V4．2 试片的制备/2A和3.3V/2A。5V、130mA的KA7805输出是为在突发模式下操作检验之用而设置的。

与整流滤波后的DC总线电压连接的电阻R102，为FS6M07652RTC（IC101）脚Vcc的启动元件。通过R102的电流对脚Vcc电容C108充电，当C108上的充电电压超过15V时，FPS内的SenseFET则开始开关。在FPS启动之后，变压器T1的辅助绕组（端5与端6）、D202、R104和C108等组成的电源电路为FPS内的IC提供足够的工作电流。FPS脚Vcc的OVP电压在30V以上（典型值为33V），Vcc电压可选择24V左右。当Vcc降至9V的UVLO关闭门限时，FPS内IC的工作电流从10mA降至100 A。

当一个负载或一只二极管发生短路时，将会在短时间内产生一个大电流流过FPS中的SenseFET，并被感测电阻（Rs）检测，OCL电路启动，履行过电流闭锁保护。

过载不同于负载短路，它是指负载电流远大于预设定的电平。在过载情况下，OLP电路将使FPS停止工作。

FPS利用电流型控制，最大开关电流在内部被限制，从而限制了在固定输入电压下的功率。如果电源DC输出电压低于设定值，在反馈环路上的IC201（KA431）将产生非常小的电流，IC301中光耦合晶体管中的电流几乎变为零，FPS脚Vfb内2 A的电流源（参考图2）将对外部电容C107（参见图3）充电。当脚Vfb上电压因C107充电达到7.5V时，FPS将关闭。在C107=47nF下，关闭延时约100ms。在常态下，Vfb约为0.2～3V。当Vfb=3～7V时，器件在最大占空比上工作。一旦Vf比重：1.07g/cmb达到7V，内部电路则关闭反中国建筑金属结构协会辅射供暖供冷委员会刘浩主任馈电路。

在反馈环路上，Q201、D203、R206和R207、R208及SW201组成的反馈络用作突发（burst）模式操作。在正常工作期间，Q201导通，R206从反馈络被分离，3.3V的输出通过反馈络传输到FPS的脚Vfb。当Q201关断时，R206连接到反馈络，12V的输出也被反馈，从而使光耦晶体管饱和导通，FPS脚Vfb降为零，转换到突发模式。利用微控制器拉低脚Vfb，并没有使用附加的光耦合器。在突发状态下操作，输出电压降低，只消耗很小的功率。

3.2 变压器设计考虑

在SMPS设计与制作中，变压器是一个关键性元件。对于图3所示的LCD监视器回扫式SMPS电路，变压器（T1）参数的确定根据下面的设定条件：

1）AC输入电压（Vin）范围 85～265V（频率60Hz）；

2）输出功率Po=Po1＋Po2=2A 12V＋2A 3.3V=30.6W（按30W计）；

3）变换器效率 =70％。

对于变压器设计的详细步骤在这里不准备逐一介绍，只简要说明变压器设计思路及设计考虑。

在确定变压器初级峰值电流Ipk时，首先要确定最低DC输入电压（即输入电容Cin=C103上的电压）。当SMPS在恒定输出功率上操作时，最大峰值初级电流发生在最低DC电压上。图4示出了Cin充电和放电波形。

图4 滤波电容Cin(C103)上充/放电波形

当Cin在f=120Hz下充电和放电时，在Vmin处的纹波电压 V最大。Cin充电峰值电压

Vmin(pk)= Vin(min)= 85V=120V。

若纹波电压（峰-峰值）按不小于线路电压的20％处理，可设 V=20V。于是，Cin放电谷底电压Vmin=Vmin(pk)－ V=120V－20V=100V。Cin放电时间td可按照式（1）计算：

td= （1）

将已知数据代入式（1）可得：td=6.78ms。

Cin在放电期间输入能量Ein为：

Ein=Pin td=(Po/ ) td=(30/0.7) 6.78 10－3=0.29J

根据Ein= Cin ，可得：

Cin===132 F

132 F是非标准电容。在图3所示的应用电路中，Cin（C103）选用的是82 F的铝高压电解电容器。在此种情况下，Cin放电终止电压Vmin因纹波电压的增大不再是100V。假定Cin放电时的输入能量不变，根据Ein的计算公式得到的结果是：Vmin=86V。利用该结果计算Ipk时，余量较大。

最大峰值初级电流Ipk在Vmin和最大占空比Dmax下出现。由于电流控制型SMPS的Dmax应低于50％，若选取Dmax=0.45，可得：

Ipk===2.2A

初级方均根值电流Irms可以按式（2）计算：

Irms=Ipk （2）

将Ipk=2.2A和Dmax=0.45代入式（2）得到

Irms=0.85A。

在大多数关于变压器初级电感量Lp的计算中，初级电流都选用Ipk。在变换器初级电感传输到次级的功率保持不变时，确定Lp时可以使用Irms，从而使Lp的计算结果有较大余量。由于FPS的固定操作频率fs=70kHz，故Lp为：

Lp===0.65mH

在Ipk、Irms和Lp等参数确定之后，通常根据面积乘积公式Ap=Ae AW （Lp Ipk Irms 104/420 K Bmax）1.31等来确定磁芯的选取。针对本设计实例，通过简单的计算和经验，可选用EFD3030磁芯，其有效截面积Ae=1.07cm2，窗口面积（线圈骨架绕组面积）AW=2.23cm2，最大磁通密度Bmax=0.168T。

初级绕组匝数可由式（3）计算：

Np= （3）

将Lp=0.65 10－3H、Ipk=2.2A、Bmax=0.168T和Ae=1.07cm2代入式（3），可得：Np=79.6匝。可选取Np=80匝。

在最大占空因数Dmax上的初、次级绕组匝数比n为：

n== （4）

式中：Vd为次级整流二极管的压降（选取0.6V）；

Vo为次级DC输出电压。

设12V输出次边绕组匝数为NV1，3.3V输出绕组匝数NV2，FPS偏置绕组匝数为NVCC，根据式（4）可得：

NV1=Np ==13匝

同理可得：NV2=4匝，NVCC=24匝（Vcc按24V计）。

图5示出了变压器的结构，其主要参数如下：

图5 变压器结构示意图

磁芯与骨架：EFD3030；

绕组线径和匝数：

初级绕组Np（脚1 2，脚3 2）： 0.3 1，80T(40T＋40T)，Lp=0.65mH，最大漏感为10 H；

NV1绕组（脚12 10）： 0.3 2，13T；

NV2绕组（脚8 7）： 0.3 4，4T；

Nvcc绕组（脚5 6）： 0.2 2，24T

变压器绕组之间和外层用2层0.05mm厚的聚酯型薄膜隔离。