基于SY50583的宽输入小功率BUCK变换器设计

李晓庆

（镇江伏乐光电技术有限公司江苏镇江212400）

针对通用交流输入或高压母线供电如小家电、LED照明驱动、电表、工业控制等场合中，对宽输入范围非隔离低压辅助电源的需求[1-4]，目前有多家厂商提供了基于BUCK电路的解决方案，如PI[5]、FAIRCHILD[6]、MPS[7]，这些方案通常有如下特点：集成高压MOS、低待机功耗、输出恒压限流控制等。本文介绍一种新型控制芯片SY50583[8]，该芯片除具有以上特点外，同时工作于准谐振（QR）模式，能够进一步降低开关损耗，优化效率及EMI性能；并基于该控制芯片，设计了一款宽输入小功率降压BUCK变换器。

1 基本工作原理

降压BUCK电路如图1所示，由输入电压源Vi、串联开关S、续流二极管D及LC滤波元件组成，也称为串联开关变换器。

图1 BUCK变换器电路图

当开关S导通时，D承受反压截止，电感L储存能量，电容C充电；当开关S关断时，电感电流通过二极管导通续流而释放能量，电容C放电。根据稳态时伏秒平衡：

推导得到：

式中Vi为输入电压、Vo为输出电压、t1为开通时间、t2为关断时间、D为占空比。

由于开关管不是理想器件，在开通及关断过程中，电压和电流存在交叠区如图2所示，故存在开关损耗，开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高；同时开关管工作在硬开关时还会产生较高的di/dt和dv/dt，产生较大的电磁干扰EMI[9-10]。

图2 MOS管开关损耗示意图

谐振变换器利用电感、电容元件组成串联或并联谐振电路，从而改变开关变换器的工作电压、电流波形[11-12]，实现开关管的零电压开通（ZVS）和零电流关断（ZCS）。准谐振由谐振变换器发展而来，它是将PWM型开关元件加上谐振电感和电容形成谐振开关[13-15]、或者利用开关元件自身寄生参数与电路元件产生的谐振，配合适当控制方式实现的软开关[16]。

2 芯片介绍及电路设计

SY50583是一款具有输出恒压及恒流控制功能的高性能PWM控制器，集成耐压700 V、低导通电阻的MOS，内部结构框图如图3所示。该芯片通过控制实现MOS管在谷底电压时开通，低至15 μA的启动电流，轻载时限频45 kHz以降低开关损耗；同时具有输出过压、过流及短路、过温等保护功能。

图3 SY50583内部结构框图

本文以一款全电压90～264 V交流输入、12 V/350 mA输出的非隔离降压BUCK电源设计为例，介绍电路设计过程，原理图及参数设计如图4所示，主要元件功能：F1为防浪涌冲击电流PTC电阻，D101和D102为半波整流二极管，EC101为输入整流滤波电容；R101、R102、C101为高压启动电阻电容，R103为电感电流采样电阻，R104、R105为输出电压采样电阻，D103、L101、EC102分别为BUCK续流二极管和输出滤波LC。

图4 12 V/350 mABUCK电路图

2.1 输入滤波电容

针对半波整流，假设母线BUS电压纹波∆Vbus要求20%，在最低输入电压Vac（min）时按如下近似公式计算滤波电容Cbus：

式中Pout为输出功率、fin为输入电压频率、η为变换器效率。

2.2 启动电路参数设计

输入电压上电后，通过启动电阻R101和R102给启动电容C101充电，芯片通过VIN脚检测C101电压充至启动电压VIN_ON时，内部电路开始工作，输出电压建立后，内部电路将会每个开关周期给C101充电以维持VIN脚电压在关闭电压VIN_OFF以上，简化了外部电路设计。整个启动过程如图5所示分为两部分，tSTC为启动电容充电时间，tSTO为输出电压建立时间，通常tSTO远小于tSTC。

图5 IC启动时序图

启动电阻设计时须满足不小于启动电流15 μA要求；按启动时间600 ms要求根据式（4）选择启动电容，启动电阻和电容的选择不能太小，避免在电路保护时反复重启过程中产生额外损耗：

式中CVIN为启动电容、VBUS为母线电压、RST为启动电阻、IST为启动电流、tST为启动时间、VIN_ON为启动电压。

2.3 准谐振模式工作原理

电路工作于临界电流模式（BCM）或断续电流模式（DCM）时，MOS管关断后，电感电流持续下降至零，因MOS管、二极管等元件寄生电容的存在，输出电感L和寄生电容产生谐振，控制芯片通过检测MOS管DS两端电压，控制MOS管在谷底时开通，如图6所示；谐振电压幅值由输入电压和输出电压关系决定[16]，当输出电压Vo大于输入电压的VBUS的一半时，DS电压可谐振至零，实现零电压开通。

图6 电感电流及MOS管开通波形图

2.4 输出电压及电流控制

输出电压可通过VSEN脚检测电感电压获知，原理如下：在二极管续流期间，电感电压VL和输出电压Vo存在VL=Vo+VD_F的关系，VD_F为二极管正向导通电压，当电感电流降至零时，VD_F接近为零，电感电压即等于输出电压。通过检测VSEN脚电压与内部基准电压VVSEN_REF进行反馈比较，即可实现输出恒压控制[17]。

根据图6所示电感电流波形中，输出限流值IOUT_LIM等效为：

式中：IPK为电感电流峰值、t1为电感电流上升时间、t2为下降时间、tS为开关周期。控制IC通过检测ISEN脚即电感电流采样电阻RISET上的电压，反馈与内部基准VREF比较实现对IPK的控制；故通过设计不同RISET值即可控制不同输出限流值。

2.5 输出电感及电容设计

输出电感和电容设计点选择最小交流输入电压、满载输出、BCM/DCM工作时，控制IC设定开关频率fS_MIN为最低约35 kHz，此时电感和MOS管电流将达到最大。电感计算步骤如下：

Step 1：根据开关频率和伏秒平衡，结合图6所示电感电流波形，列写公式：

Step 2：根据电磁感应定律，列写公式：

Step 3：联立式（6）～（9），推导得到：

IPK不小于2Io取为0.8 A，计算可得电感选值。

BCM/DCM模式下，输出电容电压波形如图7所示，输出电容设计依据满载输出电压纹波∆Vo要求3%，根据电荷平衡：

式中：tf和tr分别为电容电压的峰值和谷值时间，可根据前面所计算t1、t2、IPK、Io推导得到；同时考虑轻载间歇工作模式下电容储能要求，综合选择电容值。

图7 电容电压示意图

3 实验结果

按设计的12 V/350 mA降压电源搭建样机进行实验验证，测试输出启动波形如图8所示，110 V输入时启动时间约550 ms；由满载切换至半载的动态切换波形如图9所示，输出电压能较快响应；满载时输出电压纹波波形如图10所示，纹波小于3%；MOS管DS端电压波形如图11所示，显示MOS管在DS谷底电压时开通。

图8 启动波形

图9 输出负载动态切换

图10 输出电压纹波

图11 MOS管DS电压波形

同时测试效率数据如表1所示。

表1 效率测试数据

4 结 论

本文介绍的新型控制芯片SY50583具有准谐振工作模式、集成低导通电阻高压MOS、输出恒压及恒流控制、内置供电电源等特点，能够简化外部电路的设计；以一款小功率降压电源为例，详细说明其电路及元件参数设计过程，通过实验验证了电路设计的正确性[18]，测试数据表明基于该控制芯片设计的变换器在效率、输出电压控制等方面具有较好性能。