MC33374 LED驱动电源设计实现无辐射效果

MC33374是美国Motorola公司于2000年推出的电源控制五端单片集成电路，它有五个引出端，具有抗干扰无辐射、高功率输出等最佳性能，芯片被广泛用于办公自动化设备、LED路灯、仪器仪表等电子产品中。MC33374属于MC33370系列，它有17种型号。

1.MC33370系列性能特点

MC33370芯片内部集成有：状态控制器、欠电压锁定比较器、PWM比较器、PWM调制器、误差放大器、振荡器、电流极限比较器、8分频器，还有功率驱动电路、上电复位电路、外部关断电路、过热保护电路、偏置电路、门电路、导通延迟电路、前沿闭锁电路等称为“8器”“8路”结构。采用双脉冲抑制逻辑电路，保证时钟周期内脉宽调制器只能输出一个脉冲。集成度之高、功能之广，使电源控制技术达到新的水平。电路应用于PC待机电源、机顶盒电源、微处理器控制电源、适配器电源等。

1）芯片采用双脉冲抑制逻辑，使脉宽调制周期内，每个时钟只能输出一个脉冲，确保电源控制稳定、不产生误动作。其控制状态采用可编程控制。这种控制的特点，只需改变外部电路，即可实现手动控制、数字电路控制、微机操作和禁止操作等。

2）片内集成了检测电阻R_s（见图4-23a），电阻处在无功率损耗状态下检测漏极电流I_D的变化，进行过电流、过载保护。增强型高压MOS场效应晶体管，它不仅使开关电源工作可靠，还能提高电源转换的效率。

3）该芯片设置了欠电压锁定电路和外部关断电路。欠电压锁定就能使电路在正常输出之前，对电路的运行状态进行跟踪警示，随时准备不测。外部关断是处理由反馈信号来的信息，当误差放大器输出电压出现异常时，立即关断功率开关管，起着欠电压、过电压保护作用。

图4-23 MC33374系列内部功能及引脚排列图

4）占空比调节范围宽，达到0.9%～74%，它意味着，当输入电压变化很大时，电源的输出电压能保持稳定，使电源电压调整率大为提高。

5）芯片还具有过热保护的功能。工作结温的范围是-40～150℃，电源如果超出这一范围，片内的温度传感器立即通知热关断电路，向主控门发出指令，主控门立即关断功率开关管，起到过热保护。图4-23b是MC33374引脚排列图。

6）电源效率高、功率损耗低、抑制辐射能力强、电磁兼容性好是这种模块式控制芯片固有的特长，也是当今世界各地被广泛使用的一个重要原因。如果供电交流电网的变化量不超过20%，那么高频变压器的反馈绕组可以去掉。这对减小电源体积、降低成本有利。

2.MC33374的工作原理

由MC33374构成的15V/6A（或15V/3.5A）开关电源电路如图4-24所示。

图4-24 90W（52W）无辐射、高功率开关电源电路

交流输入电压V_i的允许变化范围是85～265V。整流桥VD₁～VD₄采用4只1A/600V的1N4006型硅整流二极管。一次保护电路由RC吸收回路（C₆、R₂）和钳位保护电路（VS和VD₅）构成，能有效地抑制因高频变压器存在漏感而产生的尖峰电压，保护MC33374的内部开关管不受损坏。VS采用P6KE200A型瞬态电压抑制器，它的反向击穿电压V_B=200V。VD₅选用MUR160型超快速恢复二极管。C₄是V_CC端旁路电容。图中R₃直接接地，能提高模式转换的可靠性。VD₈、C₁₃是反馈绕组输出端的整流滤波元器件。二次高频整流管VD₆采用大电流、低压降的肖特基二极管，型号是MBR3045（30A/45V）。VD₇是续流二极管，使V_o得到稳压输出。VD₇对于大电流、低电压输出电路是有效的。C₈、C₉和L₁、C₁₀、C₁₁等元件组成输出滤波电路。由于L₁的电感量为5_μH，而大容量的滤波电容C₈、C₉、C₁₀存在等效电感对L₀，会直接影响到L₁的实际电感量变为L₁+L₀。因此需将C₈、C₉并联使用，使L₀减小一半，对L₁的影响也随之减小。L₁的后面采用直流电阻仅为0.005Ω的磁珠MB，它对抑制噪声干扰能起到很好的作用。

精密并联稳压器IC₃（TL431）构成外部误差放大器，再与光耦合器IC₂串联，组成光耦合链式负反馈电路。反馈电压V_FB加到MC33374的反馈端2脚。它的稳压原理是：当输出电压V_o发生波动时，经R₅、R₆分压后得到取样电压并与TL431中的2.5V基准电压进行比较，产生外部误差电压V_r，再通过光耦合器，使反馈电流I_FB产生反馈电压V_FB，两者进行比较，并以此调节输出占空比，达到稳压的目的。C₁₄用于消除高频变压器的一次、二次侧间耦合电容造成的共模干扰，称为安全电容（也是两个地的连结电容）。C₁₂为控制环路的补偿电容，是为控制信号滞后而设置的。R₄为LED的限流电阻，可使IC₂稳定工作在具有线性的大电流传输比上。输出电路为6路LED（每组5只LED），共30只大功率白光LED灯，每路电流为900mA，工作电压为3V，作射灯和路灯照明。

MC33374的1脚是工作电压输入端，是芯片的动力电源。芯片在启动时，必须通过5脚给1脚提供10V以下的工作电压（V_CC）。当V_CC＞8.5V（工作阈值电压）时，启动电路中的MOS场效应晶体管立即关断，而功率开关管开始工作。电路启动后，从高频变压器二次绕组上即可获得正常的输出电压，此时反馈绕组N_F正式工作，向芯片供电。一旦开关电源发生过载或短路故障，致使V_CC＜7.5V（欠电压阈值电压），功率开关管就关断，而供启动用的MOS场效应晶体管则工作，芯片进入自动启动工作模式。使用时，V_CC端一般与2脚短接。

2脚为反馈信号输入端，它的内部的15Ω电阻接在误差放大器的反相输入端上，它能周期性地控制功率开关管的通断。反馈端的上、下阈值电压分别为8.5V和7.5V，有1V的滞后电压。显然，链式反馈电压V_FB反映了开关电源输出电压的高低。反馈绕组的输出电压经高频整流和滤波后形成反馈输出电压，再通过光耦合器中的光敏晶体管接至反馈端。光耦合器的发射管接在取样电路中。反馈绕组的信号经R₁、C₄接地。C₇有3个作用：首先它是启动电路的定时电容；其次与R₃一起对反馈环路进行补偿；第三它是工作电源电压V_CC的旁路电容，在启动过程中通过对C₄进行充电，建立V_CC电压。

3脚（GND）为接地端。它是控制电路与功率开关管的公共地，也可作为IC₁上面的散热器的接地端。

4脚（SCI）为状态控制输入端，简称状态控制端。它是多功能输入端，电路只配少量外围元器件，就能构成多种方式来控制变换电路的开关状态。它一般具有6种控制方式：①利用按键触发方式来选择工作模式；②配微控制器进行开关操作；③给状态控制器配以低压保护电路，使在模式转换过程中不会引起开关电源输出电压的波动；④利用数字信号进行控制；⑤接上延时电路将构成延时控制；⑥禁止对状态控制器进行操作，称为禁止控制。禁止控制时其余5种控制方式失效。

5脚（D）为功率开关管的漏极引出端，它能直接连接高频变压器的高压电源。它与内部启动用MOS场效应晶体管的漏极相连接。

MC33374系列的内部电路结构框图如图4-23a所示，主要包括9部分，下面分别介绍各部分电路的工作原理。

并联调整器/误差放大器有一个门限电压，它将驱动一只MOS管的误差放大器，由于误差放大器与反馈回路呈并联形式，在这里误差放大器起着调整器的作用。它的反相输入端接反馈端，同相输入端连接8.6V的参考电压，反馈电压经过并联调整器/误差放大器进行电流放大，放大后的反馈电流在反馈电阻R_FB上形成误差电压。此电压进入PWM比较器，输出可调制的脉冲驱动信号，控制功率开关管的导通和截止时间。可以看出，输出占空比D与反馈电流I_FB近似成反比，如图4-25及图4-26所示。可以利用该曲线计算出反馈电流与脉宽调制增益成反比的关系，当反馈电流I_FB上升时，占空比D下降。

为了衰减误差电压中的噪声电压，提高输出脉宽调制的稳定性，在反馈电阻R_FB与PWM比较器之间加进一个低通滤波器，这样脉宽调制信号通过门电路、PWM触发器、主控门驱动功率开关管。反馈电流控制高频变压器的脉冲电压及反馈回路的运行状态。反馈回路配置有带温度补偿的8.4V补偿电路。(www.xing528.com)

振荡器是一切控制芯片工作的原动力，该器件有两个比较器，一个是精密稳压源，另一个是电容振荡器C_osc。从图4-23a可以看出，振荡器有3个输出信号：占空比信号、锯齿波信号及时钟信号。在振荡电容充电期间，占空比信号每输出一个低电平，便将主控门关闭，促使功率开关MOS管关闭，达到限制最大占空比不得超过74%的规定，否则占空比得不到控制。振荡频率即为开关频率，它是由振荡电容充、放电回路所决定的。当反馈电流I_FB=4.0mA，芯片结温T_j=25℃时，开关频率的值为100kHz。壳温T_c和反馈电流I_FB将影响着开关频率。锯齿波信号是电压比较器在时钟信号的作用下交替接通和关断电流源所形成的。它有两个高低不同的阈值电平对C_osc周期性地充放电，便形成线性的锯齿波信号。此信号对功率开关管进行脉宽调制控制输出。占空比每输出一个低电平，就将主控门关闭，以限制最大占空比。开关频率还受壳温变化的影响。

脉宽调制（PWM）比较器与脉宽调制（PWM）触发器是MC33370系列的重要结构部件。PWM比较器的反相端接锯齿波电压，同相端接误差电压。当内部振荡电容充电到峰值电压时，从振荡器的时钟端输出一个脉冲，将PWM触发器置位，其输出端将主控门打开，脉宽调制器只输出一个触发脉冲。它是利用时钟脉冲和锯齿波来实现置位和复位的。

图4-25 占空比与反馈电流的关系曲线

图4-26 反馈电流与反馈电压的关系曲线

IC单片电源具有外部关断的功能，目的是防止开关电源发生空载而导致输出电压急剧上升。当外部流入关断电路的反馈电流超过60mA时，关闭触发器，使开关管截止，使之保持V_CC在8.5～7.5V之间。为了重新启动开关管，还给外部关断电路触发器增设了一个上电复位器电路，每次由断电到通电上电复位，使功率开关管导通。此外，若直接把控制电压V_CC控制在复位阈值电平（3.7V）以下，则可关断触发复位电路；或者把输入电压短时间去掉，经等待、恢复，也能间接复位。

高压功率管与控制电路集成在一起，可以直接驱动变压器。每当开关电源出现过载时，芯片是利用“周期接周期”的限流方法来对输出开关电路的电流进行限制保护的。具体地讲，就是在每个导通周期内都要检测功率开关管的漏电流，一旦检测到过电流情况，立即在振荡器的斜波下降沿初期关断输出功率管电路，从而达到限流的目的。如MC33374的I_D（max）为2.7A，漏极峰值电流I_D（pk）=3.3A，I_D（min）=1.9A。当实际漏极电流I_D＞I_D（max）或者I_D＞I_D（pk）时，电流极限比较器就通过门电路和PWM触发器将功率开关管关断。

高压功率开关管与控制电路集成在一起，可直接驱动高频变压器。当I_D（pk）=0.5～3.3A时，功率开关管能承受700V以下的高压。受功率开关管栅—源电容、变压器绕组的分布电容以及整流管的反向恢复时间（t_rr）等各种外部、内部因素的影响，开关管每次导通时都会在R_S上形成一个尖峰电压，此电压非常有可能使PWM触发器提前复位，影响脉宽调制信号的完整性。为此，在电流极限比较器的前级设有前沿闭锁电路，将尖峰电压的前沿吸收，避免PWM触发器提前复位。这段时间是从功率开关管发生过电流时开始，到关断为止。

IC单片内部具有启动电路，这样省掉了外部电路分压电阻，又降低了功率损耗。开关管刚通电而尚未工作，电路无输出，这时必须借助于启动电路先给芯片提供工作电压V_CC。MC33374系列内部有启动电路，该电路由状态控制器来控制。启动电路也包含一只高压JFET晶体管和一只低压MOSFET，但MOSFET的漏极与功率输出级不同。两只管子串联后能承受700V的高压。其中，JFET的漏极接5脚，栅极接地，源极接至低压MOSFET的漏极。当JFET关断时，MOSFET的漏极钳位在18～24V的低压上。MOSFET的漏极与栅极之间接有550kΩ的集电极电阻。由于MOSFET的V_GD呈低压，从而简化了启动电路的结构。采用这种内部启动电路，省去了外部启动的分压电阻并消除了相关电路上的功率损耗，提高了电源效率。

交流电压经整流后从5脚直接加到启动电路，启动电路便对V_CC端的旁路电容C₄进行充电。当V_CC升至工作阈值电压8.5V时，即关断启动电路，启动过程自动结束。芯片转入正常工作后，二次绕组和反馈绕组也建立了电压。反馈绕组的高频电压经VD₈整流滤波之后，为芯片提供工作电压（见图4-24）。当5脚电压上升到400V时，随着V_CC电压的升高，充电电流会减小，启动电路失去电路启动的功能。启动电流I_SE与工作电压V_CC及漏—源电压V_DS的关系分别如图4-27和图4-28所示。启动用MOSFET场效应晶体管只能承受100V电压。

当电路输出处于正常工作状态时，欠电压锁定比较器的功能是监测MC33374的2脚的反馈电压V_FB。如果V_FB＜8.5V，单片IC的内部偏置电路令功率开关管工作。欠电压锁定比较器有1.0V的滞后电压，为避免出现误动作，以确保启动时在C₄上有足够的储存电能，光耦合器已给V_CC的旁路电容C₄提供足够的电流。当开关电源发生过载或短路输出故障时，芯片立即进入自动工作模式。在启动过程中，如果C₄的电压下降到7.5V欠电压阈值电压时，欠电压锁定比较器就关断内部偏置电路的工作程序，禁止开关管输出。这时启动电路开始工作，控制电压V_CC再次对C₄充电，直到V_CC＞8.5V，启动电路关断，内部偏置电路重新工作。当功率开关管停止工作以后，8分频器开始计数工作，这时光耦合器还不能给C₄充电，于是C₄就开始放电。C₄上电压的高低由欠电压比较器和启动电路在7.8～8.5V之间进行调整。8分频器用于对100kHz的锯齿波进行8分频。锯齿波的占空比达到30%以后，每当第8个锯齿波的下降沿来到时，就触发功率开关管使之截止，直到电路欠电压被排除为止，芯片才脱离自动启动状态，恢复正常工作。

图4-27 启动电流与工作电压的关系

图4-28 启动电流与漏—源电压的关系

过热保护电路也称“热关断”电路。这里的过热保护电路只能在芯片内部出现意外的情况下进行过热保护，决不可用来代替外部的其他元器件因高温进行保护。只要芯片温度超过最高结温T_jm（150℃），过热保护电路立即输出低电平，把功率开关管关断，输出停止，对芯片起到保护作用。此时欠电压锁定电路和启动电路在回差模式下调节V_CC电压，而过热状态不给予锁存。只有结温降到130℃以下时，开关电源才恢复正常工作。

状态控制器的电路框图如图4-29所示，主要包括偏置电阻网络、位置比较器和触发比较器。该电路均利用阈值检测的原理对芯片的状态进行判断，位置比较器只能由备用模式转入工作模式，如果位置比较器已处于工作模式，则位置比较器就不起作用。触发比较器相当于双稳态触发电路，连续工作触发后，使开关管在备用模式与工作模式之间交替转换。储存工作状态的功能是由输入钳位电路和状态控制逻辑电路来完成的。状态控制端SCI的外接电容C_st提供放电回路，是为MOSFET复位用的。由图4-29可见，位置比较器和触发比较器的阈值电压分别为4.4V和1.8V，控制启动电路、内部偏置电路和8分频器是否工作。这两个比较器的输入信号由状态控制逻辑电路进行控制和存储处理。当V_CC被调整到8.6V时，状态控制端就被内部电路偏置在3.5V。如果电源功能不需要进行状态控制，可将状态控制端对地接一只小电容，以隐蔽状态控制，还能滤除外界噪声干扰。

图4-29 状态控制器的电路框图

改变高频变压器磁心型号及其他一些元器件的参数，即可改变开关电源输出功率，详见表4-3。这种电源可广泛用于无线电通信设备、工业仪表、办公自动化设备以及各种家用电器电子产品。

表4-3 不同元器件参数下的开关电源输出功率