降低PWM控制器AP384XC应用功耗和启动时间的设计要点

本文列出了AP384XC与384X的电性能差异，阐述了启动电阻与功率损耗的关系、如何缩短启动时间和如何降低短路保护条件下的待机功率等，并给出了测试结果。

　　AP384XC是一款电流模式脉宽调制器(PWM)，该控制器拥有超低的启动电流和较低的工作电流，能显著降低待机损耗，提高电源变换器的效率。此外，该芯片还能与业已存在的384X实现管脚和应用完全兼容，使用非常方便。

　　　图1：(a)使用384X/AP384XC时典型启动电路；(b)加速启动电路。

　　本文列出了AP384XC与384X的电性能差异，阐述了启动电阻与功率损耗的关系、如何缩短启动时间和如何降低短路保护条件下的待机功率等设计方法，并给出了测试结果。

　　电特性差异

　　这里所述的AP384XC与其它业已存在的384X都是基于双极型制造工艺，电路特性最显著的不同是启动电流和工作电流不一样，振荡器的放电电流也略有差异，AP384XC还增加了其它厂商384X所缺少的过温度保护功能。

　　启动电流越小则表明可设计的启动阻值越大，电阻热损耗降低了。工作电流与芯片本身的损耗有关，AP384XC的工作电流比其它384X低3毫安，其相应的热损耗低50毫瓦左右。

　　放电电流是用于控制占空比的，AP384XC的放电电流略大，相对应的最大占空比也略大。AP384XC温度过高时带有迟滞的关断功能能够有效地保护电源的安全，这是其它的384X所不具备的功能。

　　设计要点

　　1．启动电阻与功率损耗之间的关系

　　　　　　　　　图2：典型和反激式电路结构中很容易实现短路保护。

　　在实际的电路设计中，工程师总是根据384X的启动电流值来选择启动电阻，越低的启动电流就可以选取越大阻值的启动电阻。电阻阻值不同，其上的热损耗也不同，热损耗的计算公式是：

　 (1.414×VAC)2/RCC (1)

　　AP384XC的启动电流极低，典型值仅50μA，这样允许选取极大阻值的启动电阻RCC，可以高达1.2MΩ。在电网电压下限值90V时仍可以完成对电容Cin的充电，将电源电压VCC维持在启动门限值以上。选取大阻值的启动电阻极大地降低了它的热损耗，假定电网电压的高端值等于240V，启动电阻为1.2MΩ，则它的热损耗还不足100毫瓦。一旦电路完成启动，AP384XC的供电电流就主要从变压器的辅助绕组上获得。

　　AP384XC的启动电流只有50μA，所以它能有效地降低消耗在启动电阻上的热功耗，提高热稳定性，小功率启动电阻又节省了PCB板的空间。极低的启动电流和较低的工作电流(8mA)，使得AP384XC在小功率电源应用时的电源效率明显提高，比如8瓦输出时效率提高5%以上(假定空载损耗下降0.4瓦)。

　　2．如何缩短启动时间

　　每个开关电源变换器都有其固定的启动延迟时间。虽然没有明确规定的业界标准，一般在几秒以内，但是如果时间太久往往让人难以忍受。

　　在图1中，当启动电阻RCC的阻值变大时，电容CIN的充电频率就会下降，所以启动时间也加长。这种情况在交流电网电压较低时尤其明显。图2给出了一种缩短启动时间的有效方法。

　　图3：系统输出短路时AP384XC的电源电压和振荡器波形(电网的交流电压等于265V)

　　其中，延迟时间可以用以下的公式(2)来进行计算

　　CIN×VSTART/ICIN (2)

　　VSTART为标准384X的启动电压门限值，ICIN的值近似等于启动电流，与图1相比，缩短了将近80%的启动时间。

　　3. 如何降低短路保护条件下的输入功率

　　384X是电流模式脉宽控制器，内含欠压启动滞回电路和过功率保护电路等。这些特点决定它最常用在中小功率离线式交流-直流变换器中，而此类变换器一般采用反激式电路结构，因而短路保护作为开关电源的一项指标是容易实现的。

　　图3是典型的反激式应用例子，我们以此来阐述短路保护的实现过程。假定该变换器采用AP384XC设计，且短路输入功率符合业界公认的标准(5瓦或10瓦以下)。当电源短路时，384X保护动作，使占空比减小，384X的供电电压VCC就会降低，当跌到384X的最小工作电压以下时，整个电路关闭，然后靠启动电阻开始下一次启动过程。在这种保护状态下，电源只工作一个或几个开关周期，然后进入很长时间(几百毫秒到几秒)的启动过程，平均功率很低，即使长时间输出短路也不会导致电源的热损坏。

　　图4给出了该变换器短路保护发生时，AP384XC的电源管脚(管脚7)和振荡管脚(4管脚)的测试波形(电网的交流电压等于265V)。

　　图4：系统输出短路时AP384XC的电源电压和振荡器波形(电网的交流电压等于265V)。

　　AP384XC的启动电流和工作电流比较低，如果用AP384XC替换其它的384X后短路输入功率会怎样变化呢？需要调整哪些外部元件参数才能满足原来的设计规格呢？图3中，U1(AP384XC)的总供电电流等于流过R3的启动电流和通过R9的电流总和，R3和R9数值的差异将导致完全不同的保护效果。图4和图5给出了供电电压端VCC和振荡器端口RT/CT的波形。图4中，R3=680kΩ，R9=20Ω，开关间隔很长，为160ms，短路时的输入功率测试值为3瓦。图5中，R3=200kΩ，R9=10Ω，AP384XC的开/关间隔要小得多，这时短路的最大输入功率实测值为17瓦，失去了保护作用。因而输入功率不能满足设计规范中的要求。这时将AP384XC更换成其它厂家的384X，仍然可以满足短路保护的功率要求。因此，如果交-直流电源变换器的原始设计采用其它的384X，换成AP384XC后，一般都要求增大启动电阻和辅助绕组上的限流电阻。

　　为了进一步降低短路条件下的输入功率，建议R2选择阻值较大的电流采样电阻，并适当调低开关频率。