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怠宇文
5 years ago
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淺談數位相框電源模組之設計沛亨半導體產品應用工程師陳威銘前言隨著生活水準的逐漸提昇, 消費大眾對於生活品質的要求也愈來愈高, 讓許多提高生活品質與提供高度便利性的數位電子產品已漸漸地進入消費大眾的日常生活中而近年來, 隨的 TFT 液晶顯示器 (LCD Display) 模組與控制晶片等的成熟發展, 使得數位相框 (Digital Photo Frame, DPF)

1 淺談數位相框電源模組之設計沛亨半導體產品應用工程師陳威銘前言隨著生活水準的逐漸提昇, 消費大眾對於生活品質的要求也愈來愈高, 讓許多提高生活品質與提供高度便利性的數位電子產品已漸漸地進入消費大眾的日常生活中而近年來, 隨的 TFT 液晶顯示器 (LCD Display) 模組與控制晶片等的成熟發展, 使得數位相框 (Digital Photo Frame, DPF) 於這些眾多的數位電子產品中快速崛起, 成為相當熱銷的消費性電子商品目前, 數位相框本身除了講求高畫質與大儲存容量外, 其特殊功能 ( 例如 : 影音播放功能電子書無線傳輸等 ) 的設計與電量的消耗也為消費者選購時關心的重點此外, 美觀與輕薄小巧的造型設計也是吸引消費者的重點之一因此, 如何設計體積小效率高的數位相框電源模組, 使其能更為節能且外型能夠更為輕薄小巧, 亦為產品設計上的重要課題有鑑於此, 本文將說明如何來設計出一體積小效率高的數位相框電源模組電路架構圖數位相框系統方塊圖圖所示為一般的數位相框系統方塊圖, 由圖中可發現, 數位相框的輸入電源是由 V 的電源供應器所提供, 而其系統本身的電源模組則主要包含了驅動液晶顯示器背光模組的升壓式轉換器 (Boost Converter) 或充電泵浦式轉換器 (Charge-Pump Converter) 提供液晶顯示器偏壓電源的多組輸出轉換器 (Multi-Output Converter) 提供 I/O 與週邊元件電源的線性穩壓器 (Linear Regulator) 或降壓式轉換器 (Buck Converter) 提供記憶體 (Memory) 電源的的線性穩壓器或降壓式轉換器及提供 DSP 晶片電源的線性穩壓器或降壓式轉換器而由圖的電源模組中可發現, 液晶顯示器背光模組的驅動部分, 有升壓式轉換器與充電泵浦式轉換器兩種電路架構可選用, 一般充電幫泵式的電路架構主要是利用電容來達成能量的傳遞, 如圖 (A) 所示, 因不需額外的儲能電感, 使得電路本身具有體積小成本低廉等優點, 但相對的其有轉換效率較低的缺點反之, 升壓式轉換器則需要使用儲能電感來達成能量的傳遞,

2 如圖 (B) 所示, 因此整體的電路成本相對較高, 但此種架構的轉換效率相對地較充電泵浦式的架構來得高而電源模組中降壓的電源部分, 亦有線性穩壓器與降壓式轉換器兩種電路架構可選擇, 一般線性穩壓器的電路架構主要是透過串聯的輸出元件 (series-pass element) 來調節輸出電壓, 如圖 (C) 所示, 因此不需額外的儲能元件, 使得電路本身相當簡單, 且具有體積小成本低廉等優勢, 但相對的其有轉換效率低的缺點, 當輸入電壓與輸出電壓的差值愈大時, 其轉換效率將會愈低反之, 降壓式轉換器則需要使用儲能電感來達成能量的傳遞, 因此整體的電路成本相對較高, 但此種架構的轉換效率相對地較線性穩壓器的架構來得高許多 DC Source Pond Reservior Load (A) DC Source Pond Reservior Load (B) DC Source Series-Pass Element Reservior Load (C) 圖能量傳遞方式此外, 若欲更進一步提昇電路的轉換效率, 則對於切換式電源轉換器的部分則建議採用同步整流架構同步整流架構與基本的非同步整流架構最主要的不同點在於將原本轉換器電路中的二極體改由一主動功率開關 S 取代之, 如圖所示 ; 並改由兩個互補的觸發訊號, 以某個切換頻率某個導通率 (Duty Ratio) 來控制兩個主動功率開關的導通與截止而為了避免發生短路的現象, 兩個主動功率開關 S S 將不可同時導通, 因此設計上會在兩觸發訊號之間加入一短暫的怠遲時間 (Dead Time), 在這段期間電感上的電流將會改由流經與主動功率開關 S 並聯的反向二極體一般而言,MOSFETs 本身的內建反向二極體 (Body Diode) 的順向導通電壓 (Forward Voltage) 導通速度等都不及市面上通用的蕭特基二極體 (Schottky Diode), 因此為了讓效率更佳, 可在主動功率開關 S 旁並聯一顆速度較快的蕭特基二極體, 來改善電路的效率 S L S C 圖同步整流降壓架構

3 由於數位相框的電源模組可採用之電路架構相當眾多, 最終是要採用架構簡單體積小的電源轉換器或是價格較昂貴體積可能較大但效率高的電源轉換器, 則有賴產品設計者自行去衡量取決設計實例底下將以採用 V 的電源供應器作為輸入電源的情況為例, 說明如何來設計一數位相框的電源模組 - 應用電路圖為數位相框電源模組的應用電路, 以沛亨半導體所推出的白光 LED 驅動 IC - AIC6 多組輸出轉換器 - AIC88 USB Switch - AIC6 與線性穩壓器 - AIC77 & AIC90 所構成其中 AIC6 為一固定切換頻率高效率採用電流模式脈波寬度調變 (Current-Mode Pulse-Width-Modulation) 控制方式的升壓式轉換器, 其高達.MHz 的切換頻率, 將可適當地減少外部應用電路的體積此外, 其具有 00mV 的低回授電壓, 並有內建過電壓保護電路, 因此非常適合用來驅動 LCD 顯示器的白光 LED 背光模組而 AIC88 則為包含一組升壓式轉換器及兩組充電幫浦式轉換器的多組輸出轉換器, 其升壓式轉換器使用的控制方式亦為電流模式的脈波寬度調變, 因此藉由選用適當的週邊元件, 可達到快速的動態響應特性, 而其高達 MHz 的切換頻率, 亦能適當地減少外部應用電路的體積此外, 其兩組充電泵浦式轉換器可用來產生 LCD 面板所需的正負 Gate 電壓由於 AIC88 本身有內建正負 Gate 電壓的穩壓回授控制電路, 因此正負 Gate 電壓皆能被調節在所需的電壓準位 C U AIC90- BP C nf.vo C Vi C6 uf C U R7 0K U R8 0K AIC77- AIC90-8 BP BP C7 nf FLGA C8 0.nF.Vo.8Vo FLGB C7 uf C OUTA R C0 0.uF 00k R 0 C 0.uF C 0uF R R0 L 6.8uH U AIC88 RDY T FB LX INTG P IN SUPP DRVP REF SUPN FBP DRVN FBN SHDN SD D SR C9 0.uF C6 0.uF C 0.uF R 9K R K D BATS R6 0k R 0k C.uF* C 0.uF 0Vmain Vpos C8 uf C.7uF U OUTA IN OUTB AIC6 CTLA FLGA FLGB CTLB CTLA C uf C 680pF 0k C 0.uF 00k C9 0.uF D BATS C0 uf -Vneg CTLB OUTB C uf L C7 SHDN 6.8uH U6 SW SHDN OVP D SS00 LED LED LED LED LED LED6 C6 uf* FB LED7 LED8 LED9 LED0 LED LED AIC6 LED LED LED LED6 LED7 LED8 RFB RFB RFB RFB RFB RFB6 圖應用電路

4 - AIC6 週邊元件值選擇 I 升壓電感 (L ) 升壓電感的感值大小與轉換器的操作頻率高低將會影響到電感電流的漣波大小 IL = D6 () f L OSC _ 6 其中 f OSC_6 與 D 6 分別為 AIC6 升壓式轉換器的操作頻率和功率開關的導通率在此設計中, 設定 f OSC_6 =.MHz ΔI L =00mA V OUT_LED =V, 則升壓電感 L 的大小可由下式決定之 D.7 H f I () L 6 µ OSC _ 6 L 選擇升壓電感 L 為 6.8µH 此外, 為避免電感鐵芯的飽和, 所選用的電感的飽和電流必須大於轉換電路的最大電感電流峰值假設最大輸出電流 I OUT_LED(MAX) 為 0mA 電路的轉換效率 η 為 0.8, 則電感電流的峰值可由下式決定之 I L _ PEAK = I IN _ 6 ( max ) D6 f L OSC _ 6 IOUT _ LED(MAX) _ LED V V IN IN = 97mA () η fosc _ 6 L V OUT _ LED II. 輸出電容 (C 7 ) 為降低功率切換開關的快速切換所產生的輸出電壓漣波和雜訊, 建議採用具有低等效串聯電阻 (Equivalent Series Resistance, ESR) 的陶瓷電容來作為 AIC6 升壓式轉換器的輸出電容在此設計中, 輸出電容 C 6 選用三個 µf/6v 的陶瓷電容並聯 III 回授電阻 (R FB ~R FB6 ) 設定每一串 LED 的順向電流 I LED 為 0mA, 則回授電阻 R FB ~R FB6 可由 () 決定之 VFB _ 6 00mV RFB ~ RFB6 = = = Ω () I 0mA LED - AIC88 週邊元件值選擇 -- 升壓式轉換器的部分 I. 升壓電感 (L ) 升壓電感的感值大小與轉換器的操作頻率高低將會影響到電感電流的漣波大小 IL = D88 () f L OSC _88 其中 f OSC_88 與 D 88 分別為 AIC88 中升壓式轉換器的操作頻率和功率開關的導通率在此設計中, 設定 f OSC_88 =MHz ΔI L =00mA V main =0V, 則升壓電感的大小可由下式決定之 D 6. H f I (6) L 88 µ OSC _88 L 選擇升壓電感 L 為 6.8µH 此外, 為避免電感鐵芯的飽和, 所選用的電感的飽和電流必須大於轉換電路的最大電感電

5 流峰值假設最大輸出電流 I main(max) 為 00mA 電路的轉換效率 η 為 0.8, 則電感電流的峰值可由下式決定之 I L_ PEAK = I IN _88 ( max ) D88 f L OSC _88 Imain(MAX) Vmian = 68mA fosc _88 L V (7) η main II. 輸出電容 (C 6 ) 假設最大漣波電壓 ΔV main 為 0mV, 則最小輸出電容可由 (8) 決定之 Imain( MAX) D. F f V (8) C6 88 µ OSC _88 main 此外, 輸出電壓的漣波大小亦受到輸出電容本身 ESR 大小的影響 = I ESR (9) Vmian D 在此設計中, 輸出電容 C 6 選用三個.µF/6V 的陶瓷電容並聯 III. 分壓電阻 (R 與 R ) 在待機時間, 分壓電阻將會持續的消耗能量, 因此選用較大的分壓電阻, 將可適度的縮減轉換電路的待機電流在此設計中, 選擇 R 為 kω, 則 R 可由下式決定之 Vmian R = R = 9k Ω (0). IV. 回授補償的積分電容 (C ) 為避免由於系統的不穩定造成輸出電壓的漣波過大與電路的轉換效率過低,AIC88 需一額外的補償網路來補償其回授迴路一般的 Type II 補償網路, 會有一個 R comp 來設定回授迴路的增益以提昇電路的動態響應當 R comp 決定後, 則會串聯一個 C comp 來設定回授迴路的零點來維持電路的穩定性, 最後再並聯一個 C comp 來消除由輸出電容與其本身的 ESR 所造成的零點, 而當使用陶瓷電容來作為輸出電容時, 由於陶瓷電容本身的 ESR 很小, 因此 C comp 將可不需要在 AIC88 的設計中, 因為 R comp 已經內建在 IC 內部了, 且輸出使用陶瓷電容, 因此 C comp 在實際的回授網路中並不需要, 所以外部只需要選掛一個回授補償的積分電容 C =680pF 即可使迴路達到穩定 -- 充電泵浦式轉換器的部分 I. 輸出電容 (C 9 & C ) 假設充電泵浦式轉換器的最大輸出電流 I POS =I NEG =0mA 且最大輸出漣波電壓 ΔV POS =Δ V NEG =0mV, 則充電泵浦式轉換器的最小輸出電容可由以下公式來計算得到 : C C IPOS = 0.6 F f V () 9 µ OSC _ CHG POS INEG = 0.6 F f V () µ OSC _ CHG NEG 其中 f OSC_CHG 為 AIC88 中充電泵浦式轉換器的操作頻率, 其值為 AIC88 中升壓式轉換器操作頻率的一半在此設計中, 輸出電容選用 µf/6v 的陶瓷電容

6 II. 飛馳電容 (C 6 & C 9 ) 飛馳電容是用來做為充電泵浦式轉換器能量傳遞的媒介, 一般而言, 飛馳電容的容值和輸出電容的容值的比利大約為 :0 在低輸出電流的應用情形下,0.µF 飛馳電容將可滿足大部分的使用情況在此設計中, 飛馳電容選用 0.µF/6V 的陶瓷電容 III. 分壓電阻 (R,R 6,R 9 與 R 0 ) 選擇 R 6 和 R 9 為 0kΩ, 則 R 和 R 0 可分別由 () 和 () 決定之 V POS R = R6 = 0kΩ () VREF VNEG R0 = R9 = 00kΩ () V REF 其中 V POS 為正充電泵浦式轉換器的輸出電壓,V NEG 為負充電泵浦式轉換器的輸出電壓, 而 V REF 則為 AIC88 的參考電壓值至此, 整個轉換器的週邊元件值已大致完全計算出來, 提供給電路設計者參考基本上為求整體體積能達到較小化, 電感與電容的選用以符合電壓電流的規格即可, 元件的體積則可以盡可能的小結論其實要設計一個數位相框的電源模組並不困難, 只要能夠了解輸入電源規格以及系統所需要的電壓電流與轉換效率等電氣規格, 再選用合適的電路架構電源 IC 與電路週邊元件, 應該都可以完成一個符合自己所需的電源模組

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untitled 0755-82134672 Macroblock MBI6655 1 LED Small Outline Transistor 1A 3 LED 350mA 12V97% 6~36 Hysteretic PFM 0.3Ω GSB: SOT-89-5L (Start-Up) (OCP) (TP) LED Small Outline Package 5 MBI6655 LED / 5 LED MBI6655