开关电源模块FSD200的原理与应用

开关电源模块FSD200的原理与应用

摘要： FSD200是一种新型低成本单片开关电源，它具有高效率，低功耗，保护功能完善，采用了减弱电磁干扰的频率抖动，外围电路简单等特点。本文介绍了FSD200的功能原理及在小功率电源上的应用设计。

关键词：单片开关电源；小功率电源；

电子设备都需要一个稳定的工作电源供电。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，体积小、功耗低、效率高的开关电源逐步代替了笨重的采用工频变压器的串联线性稳压电源。在传统的反激式功率变换的开关电源电路中，除了基本的脉宽调制(PWM)电路、功率MOS管、电压反馈网络等外，为了使开关电源可靠工作，尚需有保护、软起动、防电磁干扰的EMI滤波等各类电路，线路较复杂，元器件多。1997年单片开关电源集成电路Topswitch的问世，极大地简化了150W 以下的开关电源设计及开发工作。但对于lOW 以下的小功率稳压电源，无论是Topswitch之类的单片开关电源，还是传统的分立元件的开关电源，都还存在硬件成本高，线路复杂等问题。

由Fairchild公司近年推出的小功率单片开关电源集成电路FSD200/FSD210，输出功率硎，内部集成了PWM控制及功率MOS管，并有过热、过负荷保护、欠压锁存、软起动、电流限止等功能，其独特的频率抖动电路能较大地减弱电磁干扰。FSD200与FSD210基本一致，但FSD200采用了自供电的形式，不需反馈绕组。由此设计的开关电源，可大大减少元件量、重量、设计尺寸、且系统可靠性增加，而它的低价格又为小功率开关电源设计的优化创造了条件。

1 主要工作原理

1.1 启动

FSD200单片开关电源的内部框图如图1所示。图1中，FSD200单片开关电源启动时，直流高压电源通过引脚进入芯片内部的高压调节器，再稳压到7 V作为芯片工作电压，同时以约100的电流源向参考电压及欠压锁存(uVLO)模块充电。VoC 的外接电容一般选在10-47 ，这种方式省去了通常开关电源须采用反馈线圈提供工作电压的需要，见图2。

1．2 反馈控制

FSD200是电压控制模式器件，与典型的开关电源线路一样，采用线性光耦PC817与可调式精密稳压器TL431组成高频变压器二次侧的电压反馈网络，见图2。当负载变化引起输出电压变化时，反馈网络将信号回馈至Vfb引脚，与振荡器送出的锯齿波比较，产生相应的PWM 波脉宽的变化，最后使高频变压器二次侧的输出电压稳定，完成反馈控制，见图1。

1．3 保护电路

FSD200有二个自我保

护功能电路：过载保护及

过热关断。这些功能集成

在芯片内，无需外部元件，

图1 FSD200内部功能原理

框图增强了系统可靠性。

一旦到达这些电路的阀

值，FSD200就开始自动重

启动周期，若故障条件被

确认，会停止内部功率MOS管的开关，并引起高压调节器关断，使V 下降，见图1。当V 下降到欠压锁存电压UVLO的下阀值6 V耐，保护电路被复位，高压调节器恢复工作，电流源又向V 端外接电容充电，而当V 因此升到UVLO的上阀值7 V时，器件恢复正常工作，若此时故障条件不再出现，重新启动获得成功，若故障条件仍存在，则重复上述过程。例如，在过载保护中，最大输出电流可由逐个脉冲电流限制电路限制，若负载比这还重，输出电压下降，光耦的LED电流减小，导致光耦晶体管的电流下降，250电流源向Vfb外接的电容充电，引起Vfb输入端电压上升，一旦上升到3 V，250 电流源被切断，5电流源向Vfb外接的电容充电，当Vfb上升到4 V时，过载比较器翻转，使功率MOS管停止工作，见图1。利用这种自动重启动周期的方法，FSD200可以区分正常工作出现的短时过载及真实的故障发生。对于过热关断，一旦控制电路测得内部H 传感器温度达到145℃，过热关断保护电路便起作用。

1．4 软启动

FSD200有内部的软启动电路，起动过程中在3 mS内逐步增加电流，减少了启动时的电流冲击，而在一般的开关电源电路中，是用外部元件组成软起动功能。

1．5 自举操作

为了使待机状态时功耗最小，FSD200设有自举操作功能。在图1中，当待机时负载减少，Vfb端的反馈电压减小，当跌至低于自举电压Ub 的下阀值0．58 V时，器件自动进入自举操作模式，功率开关管工作停止，引起输出电压的下降，下降的速度取决于待机电流负载。而输出电压的下降又会引起反馈电压的上升，当Vfb端电压升至自举电压Ub 的上阀值0 64 V时，开关脉冲又重新开始，输出电压增加，反馈电压下降，该过程又重新开始。这种交替作模式使原来的开关频率130 KHz左右的功率MOS管处于交替的工作、停止状态，减少了待机时功率MOS管的开关损耗。

1．6 频率抖动

电磁干扰EMI(又称电磁兼容EMC)，一是指设备在工作中产生的电磁传导要限制在一定水平内，以避免对其他设备产生的干扰，二是指设备本身抗电磁干扰的能力。在开关电源中，功率开关管在高电压下以高频方式工作，开关电流为方波，从频谱分析可知，方波信号含有丰富的高次谐波，其频谱可达方波频率的1 000次以上。开关电源一般利用电感及电容组成EMI滤波电路接于电源输入端，以减

弱EMI影响。FSD200是运用了一种频率抖动的方法来减小EMI的。当基频厂是130 KHz时，开关频率4 ms内在±4 KHz范围内抖动，实际开关频率厂为130～138 KHz，由于．厂’是在窄范围内偏移的可变频率，与固定开关频率厂相比较，可将高次谐波能量分散，这不仅减少了EMI，而且可用低成本的电感来代替滤波器，使元器件减少。

2 应用电路设计

图2是采用FSD200设计的一种单片开关电源电路，输入电压交流220 V±20％，V1是主输出，5V，0．7 A；是辅助输出，15 V，0．24 A，总功率7 w。线路采用典型的反激式功率变换电路。这种线路不需要额外的电感存储能量，图中变压器T1可同时实现直流隔离、能量存储和电压变换的功能。在图2中，采用了可调式精密稳压器TL431作为5 V输出的误差放大器，再与线性光耦PC817组成隔离式反馈电路，主输出作为主要反馈信号，其余输出按一定比例反馈。当5 V 输出电压发生波动时，经R4、R5分压后得到的采样电压与TL431中的2．5 V基准电压比较，并在阴极上形成误差电压，使光耦中的发光二极管电流产生相应变化，光耦付边光敏三极管的也相应变化，由此调节了FSD200输出的占空比，最后使 1不变，达到稳压目的。为使辅助输出空载时不致电压过高，可并联一合适阻值的假负载。该线路与其他单片集成开关电源电路相比有两个非常显著的特点，一是由于芯片是内部自已产生的，省去了变压器中的反馈绕组及整流元件，二是芯片对脉宽调制波采用了频率抖动的方法，大大减少了EMI，因此用一个2 mH 的电感L滤波即可，省去了EMI滤波器。

3 结语

采用FSD200的单片开关电源线路简单可靠、体积小、效率高，可广泛用于小型电子设备、充电器等场合。长期以来，10W 以下的小功率稳压电源，因成本、线路复杂等原因，采用开关电源的方案并不经济，FSD200的使用可突破这个瓶颈，并使电源的设计工作得到简化。