摘  要： 介绍了一种基于集成PWM和SenseFET的开关电源芯片FSL206MR的离线式开关电源设计，详细分析了反馈电路和降压拓扑的工作过程及设计方案。采用NPN晶体三极管MMBT2222A和稳压管BZX84C13组成反馈网络。该开关电源性能优良，具有结构简单、稳压效果好、易封装等优点，具有很高的生产应用价值。

　　关键词： FSL206MR；离线式开关电源；反馈电路；降压型拓扑设计

　　开关电源被誉为高效节能电源，与传统的线性电源相比，开关电源内部功率损耗小、转换效率高、体积小、重量轻，而且电路形式灵活多样，选择余地大，因此开关电源被广泛应用于电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源采用功率半导体器件作为开关的器件，通过周期性间接工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压[1]。

　　本文介绍了飞兆半导体专为最少外部组件的高性能离线式开关电源（SMPS）而设计的电源芯片FSL206MR[2]。本文设计了由FSL206MR构成的15 V、5 V的高频开关电源模块。该模块可应用于DVD播放器或机顶盒的开关电源、电机智能功率模块的供电电源、辅助电源的开关电源等控制供电电源，有很好的应用前景。

　　1 FSL206MR的主要性能特点和工作原理

　　1.1 性能特点

　　FSL206MR是飞兆半导体智能电源开关系列的一款高性能离线式电源芯片。此器件集成了高压功率调节器，合并了雪崩耐用650 V SenseFET和电流模式PWM控制模块。FSL206MR具有67 kHz精确的固定工作频率。内置了软启动和自重启保护电路，无需辅助偏置绕组。内部高压启动开关和突发模式运行使用极低的工作电流，降低了待机模式下的功耗。

　　1.2 工作原理

　　FSL206MR的内部框图如图1所示，主要包括以下部分：

　　（1）启动：启动时，内部高压电流源提供内部偏置并对连接到VCC引脚的外部电容（CA）充电。位于VSTR和VCC引脚之间的内部高压调节器HV/REG将VCC调节为7.8 V，并提供工作电流。因此，FSL206MR无需辅助偏置绕组。

　　（2）反馈控制：FSL206MR采用电流模式控制。通常使用光电耦合器和电压调节器来实现反馈网络。通过比较反馈电压与RSENSE电阻两端的电压，可实现开关占空比的控制。当电压调节器参考引脚电压超过内部参考电压2.5 V时，光电耦合器LED内部电流会增大，反馈电压VFB被拉低，并且占空比减小。这种情况通常在输入电压增高或者输出负载降低时会发生。

　　（3）保护电路：保护功能包括过载保护（OLP）、过压保护（OVP）、欠压锁定（UVLO）、线路欠压保护（LUVP）、热关断（TSD）以及异常过流保护（AOCP），所有保护的自动重启模式。这些保护电路完全集成在IC中，因此能在不增加成本的情况下提高稳定性。如果出现故障，开关将终止，且SenseFET保持关断。这会导致VCC开始下降。当VCC达到UVLO停止电压VSTOP（7 V）时，保护功能被重置，并且内部高压电流源通过VSTR引脚为VCC电容器充电。当VCC达到开启电压VSTART（8 V）时，FPS恢复正常工作。

　　（4）软启动：FSL206MR具有内部软启动电路，它启动后能够缓慢地增大反馈电压和SenseFET电流。启动过程中允许SenseFET电流逐渐递增，输入功率开关器件的脉宽逐渐增加，输出电容器上的电压逐渐增加，可顺畅地建立所需的输出电压。

　　2 开关电源设计实例

　　开关电源的结构如图2所示，它主要由220 V交流电压整流、DC/DC变换器、Buck拓扑变换器组成。

　　220 V交流市电经EMI滤波整流后接入DC/DC开关电源转换电路，通过比较FSL206MR反馈电压VFB与内部电流感测电阻RSENSE电阻两端的电压实现开关占空比的控制，反馈电压被拉低时，占空比减小。FSL206MR内部SenseFET的间歇式开关作用于后级Buck拓扑的变换器上间歇式地对Buck斩波电路中电感进行充电，使得最终输出电压Vo1平稳输出。Vo1后级接入常用的7805系列变换器MC78L05为系统提供5 V的电源Vo2。

　　2.1 输入整流滤波电路设计

　　输入整流滤波电路包括交流滤波、整流部分和整流滤波电路[4]。在交流电源输入端，基于安全考虑和EMC考虑，采用耐压极高的安全电容来抑制EMI传导干扰。X电容选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容来消除交流输入差模干扰，吸收电网中的高次谐波，此时必须在X电容的两端并联一个安全电阻，用于防止电源线拔插时，该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带电[5]。交流输入与地之间选用直流耐压很高并且对地漏电电流小的Y电容来消除交流输入共模干扰。交流输入零线上接入负温度系数的压敏电阻，防止安全电容过冲现象。具体参数如下：X电容XC2选用0.33 ?滋F/275VAC；安全电阻MOV1选用压敏电阻MOV-14D471K；YC1、YC2、YC3选用2 200 pF/450V。整流部分直接选用单相整流桥KBPC806，具有600 V的反向耐压值，输出电流最大可达到8 A。整流滤波电路选用NICHICON公司的两个纹波电流为1 100 mA、容量为220 ?滋F的铝电解电容并联，相当于可消除最大2.2 A的电流纹波成分，将整流后的残留交流旁路回流，利用电容充放电特性使输出电压稳定在平滑的平均值，并且利用电容的峰值充电特性使输出直流电压近似等于脉动峰值电压，提高输出效率[6]。整流部分电路图如图3所示。

　　2.2 反馈回路设计

　　根据FSL206MR反馈控制的原理设计反馈回路，要求得到输出为15 V电压，并且使用最少外部电路的原则，采用NPN晶体三极管、稳压管和快速整流管组合电路实现反馈电路的设计。

　　FSL206MR的控制原理如下：FSL206MR的6、7、8漏极可以连接最高650 V的直流电压，它的工作原理是根据反馈电压的大小以PWM方式控制内部SenseFET的开关，间歇性对后级的Buck拓扑电路进行充电。当电路接入交流市电时，通过整流电路后VCC电压约为311 V。311 V电压通过S1J整流管直接加到漏极和引脚5（VSTR），启动时，内部开关提供内部偏压，并对放置在引脚2（VCC）与引脚1（GND）间的外部电容VFB（C22）充电。一旦VCC达到8 V，所有内部模块都被激活。内部高压调节器（HV REG）不定期导通和关断，使VCC维持在7.8 V，满足芯片要求的电源输入。反馈电压端引脚3（VFB）最终连接到PWM比较器的同相输入端，包含一个内部连接的0.11 mA电流源，内部模块激活后，IFB通过二极管向外部电容CFB（C24）充电，直到外部电压高于2.4 V后，二极管截止，内部2.7 ?滋A的电流源IDELAY向CFB继续充电至5 V时，开关操作截止，这种电路特性用来实现电路的过载保护特性。本文设计中引脚2（VCC）外部是通过输出电压15 V经过快速整流二极管D8（ES1J）、二极管D4（1N4148）和电阻连接的，这样连接可以很好的使用FSL206MR芯片中过压保护的设计，当VCC超过24.5 V时过压保护电路被激活，导致开关操作截止保护后级电路。反馈电路核心设计思想是使用FSL206MR内部结构中SenseFET间歇开关的设计，间歇运行可以实现最大限度地降低待机模式的功耗。随着负载减小，反馈电压也随之减小，反馈电压降至VBURL时，器件自动进入间歇运行模式，开关过程继续进行，直到反馈电压降至VBURL以下，开关停止，输出电压由于负载耗能而降低，同时反馈电压会增加，直到反馈电压超过VBURH时，开关操作恢复。反馈电压随之降低，此过程将重复进行。间歇模式会交替使能和禁用SenseFET的开关，并降低待机模式的开关损耗。本文设计的反馈电路是将反馈电压引脚VFB连接三极管Q1（MMBT2222A）的集电极，Q1的发射极连接到芯片的管脚1（GND）上，这样控制Q1的导通和关断就可以调节VFB电压，使得芯片工作在间歇模式下。设计中需要输出电压为15 V，因此将输出电压通过快速整流二极管D8和13 V的稳压管D7（BZX84C13）与电阻R24串联至Q1的基极。这样SenseFET导通和关断形成PWM充电模式，通过Buck降压电路至输出电压端，间歇式向电感L3充电，直到电感右端电压到15 V时，13 V稳压管D7导通，这时流过D8整流管的电流等于流过二极管D4的电流和稳压管D7电流之和ID8=ID4+ID7。通过查阅器件的数据手册得到D4（1N4148）的前向电流为150 mA，D7（BZX84C13）的反向导通电流为5 mA，可以得到ID8=155 mA，根据D8（ES1J）手册提供的前向电压和前向电流关系图可以得到D8的前向电压为1.3 V。设计的输出电压为15 V，则需要输出电压为15 V时内部SenseFET开关关断，也就是VFB电压需要低至VBURL，根据设计则需要Q1导通，相当于VFB与GND相接。要使三极管导通则需要三极管基极电压大于开启电压VBE（SAT）（0.7 V），这样就可以达到设计要求的输出电压V=VD8+VD7+VBE（SAT）=15 V。当输出小于15 V时，Q1截止，VFB增加，SenseFET开关导通，向Buck电路电感充电；输出高于15 V时，Q1导通，VFB降至VBURL以下，SenseFET开关截止，通过Buck电路向负载供电，电路进入间歇工作模式，使输出电压稳定在15 V。

　　2.3 Buck拓扑电路设计

　　Buck拓扑电路选用传统的Buck降压斩波电路，设计中电路由D9、L3和C25构成（图5所示）。具体的工作原理如图4所示。

　　Buck拓扑电路的设计是根据电感和电容的储能特性设计的，在SenseFET的导通和关断状态下，电路产生不同的工作模式。导通时，电感储能电压UL=Vin-Vout=L■；关断时，二极管D导通，形成回路电感将导通时存贮的能量释放，输出电压UO=UL。

　　根据设计要求，输入电压VIN=311 V，输出电压VOUT=15 V，输入最大电流IINMAX=8 A，输出最大电流IOUTMAX=0.6 A，选用的二极管D9（UF4005）的导通压降VD=1.7 V，SenseFET的导通压降VSW=1.5 V。对于Buck电路，导通时电感电压VON=VIN-VSW-VOUT=311-1.5-15=294.5 V，关断时电感电压VOFF=VO+VD。应用秒伏数定律[3]Buck变换器的占空比方程：

　　电感电流IL=IOUTMAX=0.6 A，SenseFET的开关频率fSW=67 kHz。根据Buck电路电流纹波率曲线选取电流纹波率r=0.4最佳值，电流纹波是单位电感的伏秒数，电流纹波率为：

　　因此选取L=1 mH，额定电流大于720 mA的功率电感。Buck电路需要输出电容减少降压转换器输出电压过冲和纹波，输出电压过冲可以根据下列公式计算得出：

　　设计输电电压可以有10%的纹波存在?驻V=VOUT·10%=1.5 V，计算得出CO=10.9 ?滋F，为了留取足够的余量选取CO为100 ?滋F/50 V的电容。

　　3 实验结果及分析

　　经过仔细分析、设计、安装、调试，制作了基于电流型脉宽调制芯片FSL206MR的离线式开关电源，原理图如图5所示。在交流输入为市电220 V/50 Hz时，实测不同负载下输出电压（表1）表明该开关电源工作稳定，该设计基本达到设计要求，验证了理论的可行性。

　　基于FSL206MR电源芯片设计的离线式开关电源直接从市电取电，不像线性电源中需要工频变压器，设计采用非隔离式DC/DC变换器使得外部器件及辅助电路最简，减小元件对电路损耗。经过实际应用验证该开关电源设计具有电源装置的小型化、最简化、高效化、高经济性和稳定性好的优点，发挥了FSL206MR各种电路保护功能，可靠性良好，有很好的经济前景。

　　参考文献

　　[1] 王水平，史俊杰，田庆安.开关稳压电源[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

　　[2] Fairchild. FSL206MR芯片资料[Z].2010.

　　[3] （美）MANIKTALA S. Switching power supplies A to Z精通开关电源设计[M].王志强，译.北京：人民邮电出版社，2008.

　　[4] 许水平.基于TOP256Y的开关电源设计[J].电子技术应用，2009（8）：71-75.

　　[5] 岳中哲.反激式开关电源的环路分析与设计[J].电子技术应用，2012（6）：61-64.

　　[6] 袁瑞，和卫星，刘守华，等.基于TOP247Y的通用单片开关电源设计[J].电源技术，2012（11）：1731-1734.