【導(dǎo)讀】全世界對物聯(lián)網(wǎng)和智能家庭中的智能型裝置需求爆增，也代表設(shè)計(jì)人員必須適應(yīng)各種電源。這些電源也必須應(yīng)對更廣泛的法規(guī)。同時(shí)，終端系統(tǒng)的能源效率必須越高越好，進(jìn)而為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更大的壓力。這并不是能輕易克服的挑戰(zhàn)。
全世界對物聯(lián)網(wǎng)和智能家庭中的智能型裝置需求爆增，也代表設(shè)計(jì)人員必須適應(yīng)各種電源。這些電源也必須應(yīng)對更廣泛的法規(guī)。同時(shí)，終端系統(tǒng)的能源效率必須越高越好，進(jìn)而為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更大的壓力。這并不是能輕易克服的挑戰(zhàn)。電源轉(zhuǎn)換器的效率會依據(jù)負(fù)載而顯著變化。在物聯(lián)網(wǎng)和智能家庭中，裝置在待機(jī)模式下的大部分時(shí)間，都是在輕度負(fù)載下運(yùn)作，而許多轉(zhuǎn)換器在這些輕度負(fù)載條件下效率也較低。同樣，轉(zhuǎn)換器也必須應(yīng)對 90V 至 264V 的寬輸入電壓范圍，并在大范圍的電流內(nèi)提供高度穩(wěn)定的輸出，如此的轉(zhuǎn)換器能源效率也往往較低。
圖 1：AL17x50 的功能方塊圖，整合 MOSFET 以減少 BOM 并提高低負(fù)載時(shí)的效率
現(xiàn)今家庭中的物聯(lián)網(wǎng)和聯(lián)機(jī)照明系統(tǒng)，都需要在低電壓下運(yùn)作的微型控制器，以及在傳輸時(shí)需要快速大電流的無線連結(jié)。使用最新低功耗藍(lán)牙 (BLE)、Zigbee 和 Wi-Fi 通訊協(xié)議的無線收發(fā)器，常用于將智能型裝置 (例如 LED 照明) 連接到手機(jī)或家用集線器。這些裝置在大多數(shù)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，但從待機(jī)模式進(jìn)行傳輸或喚醒時(shí)，也需要相對較高的峰值電流以及穩(wěn)定的調(diào)節(jié)輸出電壓。這代表系統(tǒng)上的負(fù)載范圍會很廣。
這所有的因素都將成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要挑戰(zhàn)。雖然電源控制器中的整合可以提供解答，但它也為自己帶來了挑戰(zhàn)。
通用穩(wěn)壓器
AL17050 與 AL17150 為通用 AC 高電壓輸入降壓穩(wěn)壓器，整合 MOSFET，可提供準(zhǔn)確的恒定電壓 (CV) 及動態(tài)效能，在線路與負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)不必使用光耦合器。移除光耦合器，搭配 SOT-25 (AL17050) 和 SO7 (AL17150) 封裝，代表設(shè)計(jì)方面的大幅簡化和尺寸的縮小。對于智慧家庭應(yīng)用中需要在小空間內(nèi)聯(lián)機(jī)，又無需過多功率消耗的無線節(jié)點(diǎn)和 LED 照明來說，效果很好。
此穩(wěn)壓器搭配單一繞線型電感器使用，因此需要的外部組件更少。這不僅能減少物料清單 (BOM)，也減少了設(shè)計(jì)面積，并且由于保護(hù)功能的范圍能滿足所有不同的市場需求，又不增加設(shè)計(jì)成本，因此也有助于在更多的全球市場進(jìn)行認(rèn)證。
控制器的內(nèi)部 MOSFET 導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 為 30Ω (AL17050 典型) 和 10Ω (AL17150 典型)，有助于在輕度負(fù)載下提供高效率的運(yùn)作，并提高整體平均效率，適用于 0.1W 至 3W 的應(yīng)用。
恒定電壓
關(guān)鍵在于，穩(wěn)壓器可為 3.3V/5V 的微控制器和無線收發(fā)器提供恒定電壓 (CV) 輸出，確保終端設(shè)備盡可能的可靠和節(jié)能。穩(wěn)壓器也可以在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中提供其他額定輸出電壓，例如 15V。
這是透過內(nèi)部高壓穩(wěn)壓器提供的控制電壓來實(shí)現(xiàn)。芯片在 5.6V 電壓下啟動，并會關(guān)閉內(nèi)部高壓穩(wěn)壓器。當(dāng)電壓降至 5.3V 以下時(shí)，內(nèi)部高壓穩(wěn)壓器將再次打開，以為外部電容器充電。當(dāng)電壓降至 3.4V 以下時(shí)，IC 停止運(yùn)作，內(nèi)部高壓穩(wěn)壓器為電容器充電。
當(dāng)穩(wěn)壓器回饋接腳的電壓低于參考電壓 (2.5V) 時(shí)，內(nèi)部整合式 MOSFET 會開啟。峰值電流限制和初始電感電流值與輸入電壓一起決定導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)電流達(dá)到峰值電流限制時(shí)，MOSFET 會關(guān)閉。
圖 2：AL17x50 在物聯(lián)網(wǎng)智能家庭裝置的降壓 AC-DC 電源供應(yīng)器中的典型應(yīng)用
輸出電壓可以透過對回饋接腳的電壓進(jìn)行取樣來進(jìn)行控制，該電壓可從取樣電容器的電壓中取得。在 MOSFET 關(guān)斷階段中，當(dāng)電感器電流降至輸出電流以下時(shí)，取樣電容器電壓會開始下降。當(dāng)回饋接腳的電壓降至參考電壓 (2.5V) 以下時(shí)，新的切換周期會開始。
為了在不同負(fù)載條件下保持高效率，AL17050 和 AL17150 會自動調(diào)整切換頻率。
隨著負(fù)載降低，切換頻率也會降低，MOSFET 關(guān)斷時(shí)間增加，導(dǎo)致峰值電流減小。在無負(fù)載條件下，如果保持虛擬負(fù)載，則頻率和峰值電流都將最小化。這有助于在無負(fù)載條件下降低功耗。
該控制器具有誤差放大器 (EA) 補(bǔ)償功能，可改善負(fù)載調(diào)節(jié)和負(fù)載瞬態(tài)效能。隨著負(fù)載增加，補(bǔ)償值也會增加，內(nèi)部回饋比較器的參考電壓會略微下降。負(fù)載中更快速的變化將導(dǎo)致更大的補(bǔ)償介入，然后會將輸出電壓更快調(diào)節(jié)回所需電壓。這種補(bǔ)償將精確維持輸出電壓。
了解系統(tǒng)效能有助于優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)功率 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，電流波形的前緣通常會出現(xiàn)一個(gè)窄尖峰。控制器內(nèi)建 350ns 的前緣胚料，以防止由導(dǎo)通尖峰引起的錯(cuò)誤觸發(fā)。在此期間，將停用電流限制比較器，且無法關(guān)閉閘極驅(qū)動器。
保護(hù)
廣泛的保護(hù)功能，對于協(xié)助在不同全球法規(guī)環(huán)境中進(jìn)行認(rèn)證至關(guān)重要。為滿足這些需求，該裝置具有短路保護(hù) (SCP)、過熱保護(hù) (OTP)、VCC 欠壓鎖定功能 (UVLO)、過載保護(hù) (OLP) 和開放回路保護(hù)。
當(dāng)峰值電流超過 450mA 的閾值時(shí)，SCP 可使裝置關(guān)閉，并在故障排除后恢復(fù)操作。隨著負(fù)載增加，峰值電流和切換頻率也會增加。當(dāng)峰值電流達(dá)到峰值電流限制值時(shí)，如果負(fù)載繼續(xù)增加，則輸出電壓將降低。當(dāng)回饋接腳電壓降至 1.7V 的 OLP 觸發(fā)閾值以下并保持 170ms 時(shí)，就會發(fā)生 OLP。此 170ms 的保持時(shí)間，可以避免在電源啟動或進(jìn)入負(fù)載轉(zhuǎn)換階段時(shí)觸發(fā) OLP 功能，因此電源啟動時(shí)間要求會少于 170ms。
同樣，當(dāng)回饋接腳上的電壓降至 60mV 以下時(shí)，裝置將停止運(yùn)作并開始重新啟動周期。在啟動階段時(shí)，在 64 個(gè)切換周期內(nèi)將忽略開放回路偵測。
AL17050 和 AL17150 整合內(nèi)部熱關(guān)機(jī)保護(hù)功能。如果 IC 接面溫度升至 +150°C 的典型值以上，則會觸發(fā)熱關(guān)機(jī) (TSD) 保護(hù)，且內(nèi)部 MOSFET 會停止切換。為了回復(fù)內(nèi)部 MOSFET 切換，接面溫度必須降至比該值低 +30°C 的遲滯。在 TSD 保護(hù)期間，主電壓下降到通常為 2.4V 的重新啟動值，然后內(nèi)部高壓穩(wěn)壓器會提供 3.3V/5V 的主系統(tǒng)電壓。
結(jié)論
更高度的整合提供更小、更高效率的設(shè)計(jì)，可以在許多全球產(chǎn)品應(yīng)用和市場中使用。這種趨勢提供規(guī)模經(jīng)濟(jì)并降低成本，這在大量智慧家庭和物聯(lián)網(wǎng)市場中不可或缺。廣泛的保護(hù)功能，使設(shè)計(jì)人員能夠滿足這些全球市場的法規(guī)要求，進(jìn)而減少開發(fā)和測試時(shí)間。
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