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新型电源集成块ICE2A165解析及应用电路设计

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摘要:为了提高电源的稳定性,降低故障率,同时又能简化电路,节省成本,介绍一种新型电源集成块ICE2A165,利用ICE2A165设计了一款开关电源。ICE2A165内合场效应开关管,可以直接激励开关变压器工作,再辅以精密三端比较器和光电耦合器就构造出了高性能的开关电源。通过合理选择外部元件的参数,可以使开关电源既有较宽的稳压范围,又有比较灵敏的保护特性。这样既拓宽了电源对市电的适用能力,又降低了故障几率。实践表明,基于ICE2A165的开关电源能在110~240V交流环境中稳定输出+5 V和+12V,长时间工作,电路也非常稳定可靠。
关键词:ICE2A165;解析;TL431;开关电源;电路设计

ICE2A165是一种新型低碳电源IC(集成块),而且有着众多的姊妹芯片,利用ICE2A165或其姊妹芯片可以设计出各种功率开关电源,这些开关电源可以用于数字电视机顶盒、影碟机、电源适配器、喷黑打印机、扫描仪等设备中。

1 ICE2A165介绍
1.1 内部结构
ICE2A165是德国Infineon公司推出的电源IC,其内部结构如图1所示,它内含场效应开关管、门驱动器、振荡器、电源管理模块、保护单元、限流电路等。具有外围元件少、启动电流小(55μA)、稳压范围宽、保护功能全等特点。

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1.2 引脚功能
1脚:软启动端。外接软启动电容,由于电容的充电效应,使得电路工作后,1脚电压逐步上升,开关脉冲的宽度由窄变宽,输出电压由小增大,逐步达到稳定值。软启动特性如图2所示,当1脚电压Us达到5.3 V时,软启动结束,开关管栅极脉冲uG的宽度达到稳定值。软启动时间由1脚外部电容的容量来决定,可按下式进行计算。
T=1.69 Rss·Css (1)
式(1)中,T为软启动时间,Rss为软启动电阻的阻值,在常温下,其值为50 kΩ,Css为1脚外部电容的容量。例如,当1脚外部电容的容量为10 nF时,软启动时间为0.85 ms左右。由于采用软启动,可以减小开机瞬间电源对负载的冲击,有利于延长电源和负载的寿命。
2脚:反馈端,用于稳压控制。该脚电压越低,开关管饱和时间就越短,输出电压也就越低;若该脚电压越高,开关管饱和时间就越长,输出电压也越高。当稳压环路开路或负载过载时,2脚电压会达到4.8 V以上,保护电路被激活,开关管截止,电路进入保护状态(属自动重启模式)。
3脚:内部开关管的源极,兼源极电流检测。当该脚电压超过1V,且持续200ns时,限流电路工作,使开关管提前截止,以限止源援电流的上升,防止开关管损坏。
4脚、5脚:内部开关管漏极,与开关变压器初级相连。
6脚:空脚。
7脚:内部电路供电端。该脚电压达到13.5 V时,内部电路启动。电路启动后,只要该脚电压保持在8.5 V以上,电路将继续工作。若该脚达到l6.5 V以上时,过压保护电路被激活,开关管截止,电路进入保护状态(属自动重启模式),此时,7脚电压大幅度摆动。
8脚:接地端。
ICE2A165有多个姊妹芯片,它们的内部结构及引脚功能均相同,主要参数如表1所示。表中,P0表示带6 cm2散热片时的最大输出功率;ID表示开关管的最大电流;VDS表示开关管的耐压;fn表示援荡器正常工作时的振荡频率;fs表示振荡器待机时的振荡频率;RDS表示开关管的导通电阻。在满足电路要求的前提下,这些芯片可以相互替代。芯片的过热保护点都为140℃(属自动重启模式)。
1.3 封装形式
ICE2A165及其姊妹芯片均采用PG-DIP-8-6封装形式,其外形及尺寸如图3所示。

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2 应用电路设计
利用ICE2A165设计出的开关电源如图4所示,该电源能输出+5V和+12V直流电压。ICE2A165无需带散热片,开关变压器选用MKB28-818。

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2.1 交流输入及整流滤波电路
通电后,220 V市电经电源开关SW、保险管F1、互感滤波器L1送到桥式整流电路,由VD1~VD4进行整流,再由C3滤波,得到300 V左右的直流电压。
因电源功率不大,保险管选用0.5~0.63 A即可;采用一节互感滤波器来滤除电网中的干扰,L1选用LT028、UU9.8等型号;整流二极管VD1~VD4选用1N4007(整流二极管上无需并联0.01μF的电容),C3选用33~100 μF。
2.2 ICR2A165的7脚外部电路
7脚外接启动电路和补给供电电路。通电后,C3上的300V电压经启动电阻R1、R2对电容C5充电,当C5上的电压达到13.5 V时,内部电路启动,ICE2A165开始工作,内部开关管随即进入开关工作状态。
电路启动时,ICE2A165的7脚索取的电流小于55μA,电路工作后,7脚索取的电流达5 mA,若此时再由启动电阻R1、R2来给7脚供电,则无法满足7脚的需求,因此电路中应设补给供电电路。补给供电电路由开关变压器的3~4绕组、D6、R3等元件构成。电路工作后,开关变压器3~4绕组上的脉冲电压经D6整流,再由R3和C5滤波后得到14 V左右的直流电压给7脚供电,以满足内部电路的要求。
R1和R2的总阻值在800~1 000 kΩ之间,C5的容量一般在33~82μF,R1、R2、C5的取值不能太大,否则会导致电路启动困难,甚至不能启动。7脚的正常工作电压应设计在12~14 V,若太低,会使过压保护变得不灵敏;若太高,又会使过压保护变得太灵敏。R3的值一般在10 Ω以下即可。
2.3 稳压电路
稳压取样点设在主电压+5 V输出端,由精密型三端比较器IC2(TL431)和光电耦合器IC1(PC817)配合IC3内部电路来完成稳压控制,它能将取样点的电压稳定在U0上,U0的大小可由式(2)计算。
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式(2)中,VREF为TL431内部的基准电压,等于2.5 V,R11和R10分别代表R11和R10的阻值,若将图中的电阻阻值代入式(2)中,可以算出U0=5V。另外,从式(2)中还可发现,通过改变R11和R10的阻值就可对输出电压的高低进行设计。
稳压过程是这样的:当某种原因引起各路输出电压升高时,+5 V电压也必升高,经R11和R10分压取样后,使IC2的1脚电压上升,IC2导通增强,光耦IC1内部发光二极管发光增强,光电三极管导通增强(内阻变小),从而使IC3的2脚电压降低,经内部电路处理后,进丽使内部场效应开关管饱和时问缩短,开关变压器储能减少,各路输出电压下降,达到稳压的目的。如果输出电压降低,则稳压过程与上述过程相反。
值得注意的是,在设计电路时,取样点一定要设在主电压输出端上,并根据主电压的大小要求来确定R10和R11的值,R10和R11一定要选用精密电阻,误差在1%以内。R5的取值范围应为0.3~1 Ω,R5越小,电源的稳压范围就越宽,但内部开关管的功耗会加大,过流保护灵敏度会变差。在交流220 V环境下,R5取0.47 Ω比较合适。
2.4 反峰吸收电路
在ICE2A165内部开关管截止瞬间,开关变压器初级绕组会产生反峰电压,为了防止反峰电压击穿开关管,必须在开关变压器初级绕组上并联皮峰吸收电路,即R4、C4和VD6。VD5一定要选用高压快恢复管,如RF107、RGF10M等,C4的耐压必须在1 kV左右,R4的功率须在1 W以上。
2.5 直流输出电路
本电源输出+5 V、+12 V和-12 V 3路直流电压。+5 V为主电压,向负载提供的电流较大,一般用3 A整流二极管进行整流,如1N5821、1N5822等,滤波电容的容量也选择得比较大。+12 V和-12 V为副电压,向负载提供的电流较小,一般用1.5 A整流二极管进行整流,如HER152、HER153、HER154等,滤波电容的容量也适当小一些。

3 结束语
ICE2A165及其姊妹芯片是一类非常完美的新型电源集成块,因其内部包含了开关脉冲发生器和开关管,故外部电路比较简单,加上具有完善的保护功能,所以稳定性很好,故障率极低。实践表明,基于ICE2A165的开关电源具有极高电压稳定性,当交流电在110~220 V之间波动时,输出电压纹丝不动。在+5 V输出端接上5 Ω负载,连续通电24小时,ICE2A165上也无明显温升,电路运行十分稳定。可以说ICE2A165是设计中功率开关电源的首选芯片,它必将受到广大电子工作者的青睐,并具有广阔的应用前景。

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