返馳式(Flyback)架構的電源轉換器基于線路簡單、零件少等優點，在小瓦特(W)數的電源轉換器上廣泛被采用，尤其是低功率交流對直流(AC-DC)返馳式脈沖寬度調變(PWM)IC更具應用前景。
成本考量擺第一 六接腳PWM IC封裝成主流
圖1所示為典型返馳式PWM IC的應用線路，其中，圖1a是使用高壓啟動的PWM IC；圖1b則是使用低壓啟動的PWM IC。
圖1 典型返馳式PWM IC應用線路示意圖
兩者主要差異為高壓啟動的PWM IC將整流過后的直流高壓接至HV接腳，再藉由HV接腳以定電流的方式對Vcc接腳上的電容充電，直到IC啟動為止。
而低壓啟動PWM IC則從交流輸入(AC Line)端透過啟動電阻對Vcc接腳上的電容充電讓IC工作。以圖1b為例，線路上主要可區分為幾個部分，一是由開關晶體、變壓器和整流二極體組成返馳式架構，另外由TL431和光耦合器組成二次側電壓回授，最后是由PWM IC及周邊零件構成的控制部分。
值得一提的是，在5～70瓦(W)的應用中，返馳式PWM IC目前常用的封裝有八接腳的SOP8與DIP8，以及六接腳的SOT26。以通嘉科技產品為例，如圖2所示是典型八接腳反馳式PWM IC的腳位圖，其主要以高壓啟動為主，接腳功能包括HV接腳接至AC整流后端，提供IC開機前的啟動電流，在IC工作后，即停止啟動電流的輸出；NC接腳則無作用，主要是增加HV接腳與其他低壓接腳的安全距離。
圖2 SOP8/DIP8 PWM IC接腳說明圖
此外，Vcc接腳提供IC的工作電源，在啟動前由HV接腳提供啟動電流，當啟動后改由變壓器的輔助繞圈提供；OUT接腳為輸出驅動開關電晶體的PWM波形；CS接腳負責開關晶體的電流偵側；補償接腳(COMP)做回授補償用；GND接腳做為IC的地。
其中第一支接腳提供可選擇性的特別功能，它的特別功能大致上有下列幾種：RT提供可調整的工作頻率；CT提供可調整的過負載保護延遲(OLP Delay)時間；BNO提供可調整的開關機電壓；Latch用來做外部過溫保護(OTP)或其他保護功能。
另一方面，圖3是典型六接腳返馳式PWM IC的腳位圖，它與八接腳封裝最主要的差異是在HV接腳與NC接腳，其他功能腳位則與八接腳包裝的幾乎相同。由于各家廠商都不斷的在做降低成本(Cost Down)的動作，SOT26的封裝價格比SOP8低大約三到五成，使得SOT26包裝的PWM IC有逐漸成為市場主流的趨勢。目前各家IC設計公司都致力開發功能更強且價格便宜的新產品，讓電源設計工程師們可以更容易又快速設計出符合規格的產品。
圖3 SOT26 PWM IC接腳說明圖
低壓啟動優勢顯 六接腳封裝效益多
以六接腳SOT26封裝PWM IC而言，未來應用發展前景一片光明，包括可應用于極低的Vcc啟動電流(Startup Current)與工作電流，如圖4所示是一般低壓啟動的線路，在Vcc接腳電壓低于IC啟動電壓觸發點(UVLO_on)時，IC本身就會有內部邏輯消耗的電流，一般在IC規格上稱為啟動電流。而啟動時間大約可以用下式計算得知。
圖4 低電壓PWM IC啟動線路示意圖
…(公式1)
其中，VUVLO(on)為Vcc的啟動電壓觸發點；Vac為輸入的交流電壓；Istartup系IC Vcc的啟動電流。而Cvcc則是Vcc接腳上的電容器容量；Rstart為啟動電阻。
由于低壓啟動IC的啟動電流對開機的時間影響很大，從公式1可得知在使用相同的啟動電阻與Vcc電容器的前提下，當啟動電流越小時，啟動時間也會較小；換句話說，若啟動時間要求相同時，較小的啟動電流則可使用更大的啟動電阻，而較大的啟動電阻其功率損耗也較小，可獲得更低的無載或是輕載輸入功率。
除啟動電流外，IC的工作電流也對輕載與無載時的效率影響很大，目前很多規格都有待機功耗的要求，所以省電IC是必要的，但IC要達到小的電流損耗則帶來設計的考驗。以通嘉科技新一代的PWM IC來說，都具有極小的啟動電流與工作電流，在啟動時間與無載/輕載效率表現優異。
與此同時，由于SOT26的封裝只有六個腳位，除一般常用的固定腳位外，若想要增加其他的功能，已無其他腳位可以使用。此時若想要使IC有更多功能，則可利用一個腳位兼納多功能的方式完成，以增加整個IC功能。
目前通嘉已有開發類似的IC，例如CS接腳與補償接腳功能共用腳位，如此即可省下一個空腳位做其他應用；另外在功能腳位上與過溫保護功能共用同一腳位，形成所謂的復合功能腳位，可達到六接腳 IC同時具有此兩大功能的效果。
精簡線路復雜度/成本 PWM IC導入OCP/OVP
至于電源供應器為預防在不正常工作下過熱，通常會規定要有過電流保護(OCP)的規格。如圖5所示，該功能通常在二次側上增加過電流保護線路，不過這樣會增加成本及線路復雜度。現在大家逐漸偏向采用PWM IC本身的過電流保護來完成這項規格要求(公式2)。
圖5 二次側外加過電流保護線路示意圖
……………公式2
其中，Lp代表變壓器感值；Vcs_off為電流偵側電壓點；Rsense系電流偵側電阻；Fsw則是工作頻率。由公式2可發現，對IC而言，影響過電流保護的主要參數是工作頻率和電流偵側電壓，故若提升這兩個參數的精準度，相對也可縮小系統過電流保護的誤差。
不過在IC設計而言，若要提升精準度，大都使用微調(Trim)的方法，勢必也會增加IC電路的復雜度與成本。另由于現在電源皆須使用在全范圍(Full Range)電壓輸入的操作，此時IC內部過電流補償的準確度也會影響到過電流保護點的分布。值得慶幸的是，新一代PWM IC過電流保護已可達到在120～150%范圍內，符合市場需求。
另一方面，一般傳統電源若須做到較精準的過電壓保護(OVP)，如圖6所示，須在二次側增加過電壓保護的線路。通常在做過電壓保護測試時，常見做法是將回授的光耦合器二次側端短路，此時若將二次側過電壓保護的線路控制接至此處，會造成過電壓保護失效的情形。所以，通常使用二次側過電壓保護線路時會增加另一個光耦合器去做過電壓保護控制。同樣的，該做法也會增加線路的復雜度與成本。
圖6 二次側外加過電壓保護線路示意圖
此外，有時也會利用IC Vcc接腳上的過電壓保護功能達成電源供應器保護動作，如圖7所示，該方案主要是利用輔助繞組整流后，供給Vcc的電壓去做過電壓保護，但此種做法在輸出輕載與重載時，過電壓的保護點會有差異。特別是在輕載時的OVP電壓會比在重載時高出許多，還有一個問題則是變壓器與輔助繞組的整流二極體的參數特性皆會影響到過電壓保護的電壓點，使用時須注意。
圖7 利用IC Vcc做過電壓保護
因此，要靠PWM IC來實現精準輸出過電壓保護功能，來簡化電源電路的設計，已有廠商提出相關專利，并應用在新產品當中，強化新一代PWM IC的競爭力。顯而易見，新一代的PWM IC除了節能以外，也須提升其他的相關功能表現，如過電壓保護及過電流保護等。
優化PSR線路布局 減少設計占位空間
若針對市場應用來看，現在有很多小型充電器(Charger)或發光二極體(LED)照明產品，由于空間上的限制，常會使用一次側電壓回授穩壓技術，如圖8所示為通嘉LD7511一次側電壓回授穩壓線路圖，該架構最主要的好處是可以省掉光耦合器與二次側TL431的相關元件，大幅簡化整個電源線路，藉以節省設計空間及成本。
圖8 一次側回授線路示意圖
不過使用一次側電壓回授穩壓還是存在著一些問題，像是不同變壓器的誤差或是不同二次側整流二極體的特性，還有開關造成的電壓突波等，都會影響到電壓調節準確度。其次它的暫態響應也比傳統二次側電壓回授來得差，也是須加強改進的缺點。
滿足最大負載/ESD需求 PWM IC設計小心翼翼
另外，新一代的PWM IC也須關注瞬間最大負載(Peak Load)的需求，舉例來說，早期印表機電源皆有瞬間最大負載的規格，且可能是額定負載(Rated Load)的二倍甚至三倍，時間可能從幾十毫秒(ms)至幾百毫秒不等。隨著筆記型電腦快速的發展，近來筆電變壓器(Adaptor)也開始有最大負載的需求，因此，在PWM IC設計方面，目前常見的解決方案有瞬間最大負載及兩段式過電流保護兩種方式。
前者顧名思義是在瞬間最大負載抽載時，將其切換頻率提升至正常工作頻率的二倍或三倍，優點在于瞬間最大負載將工作頻率提高時，可降低變壓器一次側的最大電流峰值(Peak Current)，相對也降低磁通密度，使變壓器更不易在最大負載時產生飽和，如此一來，即可維持原先使用的變壓器，而達到更高瞬間功率的輸出，且變壓器不必使用最大的瞬間功率來設計。
圖9是補償接腳電壓與工作頻率的曲線圖，當補償接腳電壓大于正常負載的電壓時，除過負載保護計時器(Timer)會開始計數外，工作頻率也會隨著補償接腳的電壓變高而變高。因此，須搭載具最大負載升頻功能的IC，以在不大幅變更設計的情況下，達到最大負載的要求。
圖9 Comp接腳電壓與工作頻率曲線關系圖
緊接著，兩段式過電流保護是在CS接腳上使用兩個比較器(Comparator)去偵側過電流，如圖10所示，第一個過電流保護的比較器用來設定系統過電流保護值；第二個過電流保護的比較器是最大電流峰值的保護。當第一個比較器觸發時，OLP delay1的時間會開始計數，以達到過電流保護機制；而第二個比較器則針對在最大負載做過電流保護，具有逐周期電流限制(Cycle by Cycle Limit)功能。
圖10 兩段式OCP邏輯圖
另值得注意的是，靜電在生活中是無法避免的，若IC有較佳的靜電放電(ESD)承受能力，可減少在生產上或是測試上因電性過度應力(EOS)而造成的不良，提升產品的可靠度。由于現在IC制程不斷的提升，若使用0.6微米(μm)制程取代1微米制程，相同的線路則可減小晶粒(Die)尺寸，不過使用更小的IC制程，IC的耐壓與ESD能力也須一起考量。
實現高效能/低價位 PWM IC產品規畫成關鍵
低功率交流對直流返馳式PWM IC不斷增進新功能，包括簡化外部線路零件、增加參數精準度等，不但讓電源設計變得簡易，也降低材料成本，并同步提高電源模組的可靠度，這也是PWM IC設計成功的主要關鍵。
也由于高效能、低價位的產品勢成市場主流，而一顆新的IC從規畫、設計到量產至少也要一年半載，所以未來產品規畫將是決勝關鍵，而開發符合市場需求的產品與不斷創新的技術更是IC設計的最終使命。
有鑒于此，電源晶片業者在PWM IC領域不斷致力提供高效能電源管理應用解決方案，以創新技術追求節能最高標準的電源管理IC，并提供穩定可靠及高附加價值的產品，以期與客戶共同開發更省電環保的產品，減少能源消耗，打造綠色地球。
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