小功率电源辅助端供电系统总结.docx

小功率开关电源中辅助供电VCC设计相关总结 开关电源是系统供电的核心，而IC的VCC供电又是开关电源的核心。在debug的过程中多时候通过观察VCC波形就可以发现问题所在或者直接就是VCC异常导致的。小功率的基本是使用简单的绕组整流提供VCC，大功率的电源有专门的供电电源，但此供电电源里也存在绕组整流供电。针对VCC，网上看到的比较零散，同时也发现有一些存在认识上的不足。 将结合自己开发产品过程中碰到的相关问题，对小功率电源中辅助供电VCC设计相关进行总结，供大家参考。同时也欢迎大家提出自己不同的见解，共同探讨，提高。本帖目前主要从以下几点阐述,先列个大纲：1.连接到VCC的3种典型启动方式的优劣分析；2.空载的VCC电压到底该设置为多少;3.D1、R1、D2的作用和选择;4.VCC与功耗的关系（空载和短路）;5.VCC绕组与EMI的关系;6.与VCC有关的几个典型问题一、 连接到VCC的3种典型启动方式的优劣分析1. 第一种方式：从整流桥后的Vbulk处接电阻到VCC，见下图的R3、R4。此处要注意R3、R4的耐压，如果是普通的1206电阻，至少要3颗；用高压类型的，也最好用2颗。这种启动方式是早期的，由于R3、R4一直在消耗功率，在追求低空载功耗的今天，基本已被淘汰（对效率要求不高的小功率电源可以使用）。2. 第二种方式：从整流桥前的L或者N处接电阻到VCC，见下图的R2、R3、R7。这种启动方式比第一种相比，R上的功耗降低了，缺点是启动速度变慢了，但一般电源的开机时间要求并不严格，基本可以满足要求，也是目前用的较多的启动方式。减小启动电阻可以起到提高启动速度，但是效果有限，因为不可能减的非常小，有能耗要求。对于存在X电容放电电阻的，还可以利用这放电电阻，见下图。可以省去多余的启动电阻，节省空间和成本。3. 第三种方式高压启动以上两种方式在启动结束后都有功耗，且启动速度不够快，第三种方式高压启动，可以避免这两种不足。高压启动一般是通过内部电流源给VCC电容充电，充满由VCC绕组供电后切断电流源，断开电阻，损耗低。切断恒流源，是IC内部的逻辑，相当于HV脚与bus断开了。辅助绕组的电压与HV pin不直接相连哦，且电平关系，不会有电流流过电阻。启动速度快，损耗低是高压启动的优点，但其成本会增加，对成本敏感的小功率电源而言不是首选。 算电阻的阻值需要按照低压来计算，以满足最小的启动电流。确保IC低压可以启动。算电阻的功耗需要按照高压来计算，确保在高压的时候电阻的功率降额满足要求，不至于烧坏了。2.空载的VCC电压到底该设置为多少？有说法是设在Vcc（min）之2V左右，这算经验值，但并严谨。此时虽然可以保证VCC工作，但在一些动态的时候可能出问题，见下图。在时间t内，Vo下降很慢，此时原边MOS不传递能量，但VCC由于IC耗电导致下降速度大于Vo，如果VCC设计不够高，很容易下降到下限值导致VCC重启。这种情况下一般有以下几种方法解决：1、加假负载，让Vo的下降速度大于VCC，这种方式在追求六级能效要求的今天，不会采用。2、加大VCC电压，也就是增加VCC绕组圈数，这会增加几个mW的功耗；3、加大VCC电容，但需要确认开机时间是否会超出规格；4、加快环路反应速度，这需要重新确认相位和增益裕量。由于VCC跌落到多少与IC功耗，VCC设定值，环路反应速度等有关，我的建议是：在最恶劣情况（一般为满载切空载）VCC跌落到的最小值要大于Vcc（min）1V以上。具体取多大需要折中考虑。3.D1、R1、D2的作用和选择见下图：一般是C2远大于C1，通过D1的隔断，较小的C1可以使启动时间更快，较大的C2和C1一起提供稳定的VCC电压。 启动电流经Rstartup对C1充电，直到VCC达到UVLO(on)点，之后IC开始工作打出驱动（此时VCC开始掉电,见下图），待VCC绕组电压建立稳压。在这过程中要特别注意C1的取值，不能太小，需要撑到VCC绕组电压来接管，否则IC将进入不断的重启状态。尤其是输出需要带容性负载，Vo建立较慢，VCC需要维持更久。 C1小是为了启动快，C2大是为稳定工作后提供能量。如果C1大，就会导致启动慢，加的那个二极管就失去作用了。 关于D2的选择很关键，有人说用快管，有人说用慢管，在实际的产品中慢管、快管均有用到，如何选择取决于D2对传导、辐射以及stress的影响。关于R1，在此处承受压降，使空满载的VCC电压变化范围不要太大，这是其一。要注意R1的耐压，一般为几个ohm，根据功率来算耐压可能1V都不到，建议至少用0805封装。R1的第二个作用是可以当作跳线，方便layout走线。R1的第三个作用是在一些特殊应用中可以作为fuse用，从而满足安规要求。D2的选择是很重要，实际产品中慢管和快管都可以，但是有没有挖掘更深的原因？一般来讲，D2的反向恢复时间要大于反激次级整流二极管的反向恢复时间！原因:如果比次级的整流管还要快，那么漏感尖峰会使IC OVP 保护。R1电阻的第四个作用，我认为是最重要的一个作用就是抑制漏感Spike尖峰以免IC OVP。1、抑制尖峰的目的是什么？其实对传导的高频段和辐射对有好处，电阻也起这作用。2、关于IC的OVP作用，你可以去量尖峰电压的时间，很短的，OVP检测为了避免误触发会有个delay时间，不要这电阻也不会触发OVP。实际中我经常把这个电阻用0ohm电阻。一般是这样的：1、有个几百nS1uS的blanking delay，如果尖峰小于这个时间宽度就没有问题。2、需要持续几个周期都达到保护阀值才会触发，具体几个周期看IC内部设定。4.VCC与功耗的关系（空载和短路）Ploss=VCC*IC空载工作电流（一般为0.5mA1mA），一般情况下不必太在意，但对于超低功耗要求的电源，比如要求空载功耗小于30mW、10mW甚至更低，此时VCC的功耗设计就显得很重要。下面说一下短路功耗：输出短路时的输入功率与原边的电流的IPK有很大的关系，限制IPK是一个方法。但IPK需要MOS开通才有，因此也可以选择以下的方式来进一步降低短路功耗。VCC在over load时的情况：VCC在前两次到达VCC（on）时不打出脉冲，直到第三次才打开脉冲，这样的模式对降低短路功耗非常明显。对短路功耗要求高的电源，可以选择具有这样功能的IC。该电路启动电路非常好使，启动非常快，就是成本不占优势，但是对于IC内部没有集成高压启动的时候可以使用该电路加快启动速度。5.VCC绕组与EMI的关系VCC绕组与EMI有关系大家都已有共识，但到底影响有多大，影响什么频段呢？在小批量测试中发现有的EMI很好，可以达到10dB以上，有的很差，见下图，存在一致性问题。以上结果虽然过认证没有问题，但明显裕量不足，在批量的时候会出问题。下面为经过调整VCC绕组后的波形，裕量都有10dB以上。以下供参考：1、既然在输出端加共模电感有效，那一般也可以把这个共模电感加在输入端，至于圈数和core的值根据实际可能要微调。2、如果这个干扰有通过变压器，就可以通过调节变压器的寄生电容来达到平衡（寄生电容不是越小越小也不是越大越好）。3、要看此干扰是谁产生的，比如是副边二极管的反向恢复，或者线路寄生参数谐振产生等等，可以加磁珠，改变谐振参数这些招来抑制。6.与VCC有关的几个典型问题第一个就是低温下，电源无法启动问题。相信很多人都有碰到过，尤其是初做电源的人。其原因是低温下，VCC电容的容值降低，在VCC为IC供电但aux winding还未接管时间内，VCC下降到Vccmin以下而不断重启。解决方法一般是加大VCC电容，这个简单、方便。第二个是打ESD时，会损坏控制IC。经过进一步确认是VCC pin的GND之间短路。观察VCC波形发现在打ESD时VCC上的电压会超出IC VCC规格的上限。解决方法是调整VCC绕组与副边绕组的耦合，使之耦合更好，同时在VCC处增加稳压管第三个就是在动态的时候，VCC无法维持住导致VCC不断重启。在第四页有详细的解释，同时也给出了解决对策。下面波形也模拟仿真了这种情况。7VCC端 设计的原理是当vcc上升到工作电压后，电路启动，然后由辅助绕组来供电，是这个意思吗？我这个仿真的vcc电压会一直上升，辅助绕组不会被二极管屏蔽了吗？一旦converter启动，与Probe1-node相连的辅助线圈，就变成了一个独立的电压源Vcc，由叠加原理得，Probe1-node被钳位到Vcc.你说的被屏蔽意思是二极管的单向导电性，如果阴极电位高于阳极电位，一直无法导通是吧？这种情况是不会发生的。说那种情况不可能发生是因为假如不导通，电容撑不住，VCC电压就会掉到阳极以下，VCC绕组迟早要过来接管，只是时间快慢而已。 由叠加原理，先计算高压启动交流电单独作用时Vcc的电压。由于辅助绕组被看作电压源，因此视为短路，由于二极管1n4148反偏，相当于开路；此时交流