開關電源次級智能電壓型PWM控制芯片KA3511

1引言

開關電源（SMPS）次邊監(jiān)控IC，用作組成SMPS的輔助（housekeeping）電路，以履行過電壓和欠電壓保護及遙控開/關等功能。SPMS次邊監(jiān)控IC，內(nèi)部電路往往比初級側PWM控制器IC更加復雜，引腳也往往更多。但是，使用此類IC后，不會引起SMPS元件數(shù)量和成本上的增加。本文介紹的美國快捷公司生產(chǎn)的PCSPMS次邊監(jiān)控芯片KA3511，是一種改進型的固定頻率PWM控制IC。用其設計PC電源，是目前比較理想的選擇。

2引腳功能及主要特點

KA3511采用22腳DIP封裝，引腳排列如圖1所示。

KA3511主要由振蕩器、誤差放大器、PWM比較器、過電壓保護（OVP）與欠電壓保護（UVP）電路、遙控開/關控制電路、電源好（pwoergood）信號產(chǎn)生器和精密參考電壓等單元電路所組成，引腳功能如表1所示。

表1引腳功能

圖1KA3511引腳排列

圖2PWM控制電路

圖3工作波形

圖4軟啟動電路

KA3511的主要特點如下：

（1）只需很少量的外部元件，就可以組成性能優(yōu)良的SPMS輔助電路；

（2）固定頻率、可變占空比電壓型PWM控制；

（3）利用死區(qū)時間控制實現(xiàn)較啟動；

（4）為推挽操作對偶輸出，每個輸出晶體管的電

流容量為200mA；

（5）對于SMPS的＋3.3V、＋5V和＋12V輸出，

具有OVP和UVP功能；

（6）遙控開/關控制功能；

（7）為監(jiān)視電源電壓電平，使微處理器安全操作，

內(nèi)置電源好信號產(chǎn)生器；

（8）精密電壓參考，容差為±2％（4.9V≤Vref≤

5.1V）；

（9）電源電壓VCC=14～30V，待機（standby）電

流（ICC）典型值是10mA。

3工作原理

3?1振蕩器

KA3511是固定頻率PWM控制IC，內(nèi)部線性鋸齒波振蕩器的頻率由IC腳7外部電阻RT和腳8外部電容CT設定：fosc=

3?2PWM控制電路

KA3511的PWM控制電路如圖2所示，圖3為其工作波形。

誤差放大器用作感測電源輸出電壓，它的輸出連接到PWM比較器的同相輸入端。死區(qū)時間控制比較器有一個0.12V的失調(diào)電壓，以限制最小輸出死區(qū)時間。PWM比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸入脈沖寬度提供了一個手段。當振蕩器定時電容CT放電時，在死區(qū)時間比較器輸出上產(chǎn)生一個正脈沖。時鐘脈沖控制觸發(fā)器，并使輸出晶體管Q1和Q2禁止。為使Q1和Q2推挽工作，脈沖控制觸發(fā)器將調(diào)制脈沖對準Q1和Q2中的一只晶體管，其輸出頻率是振蕩器頻率的一半。

輸出PWM通過CT上的正鋸齒波與兩個控制信號中的任意一個進行比較完成。或非（NOR）門驅動輸出晶體管Q1和Q2使能，此情況僅當觸發(fā)器時鐘輸入為低電平時發(fā)生。隨控制信號幅值的增加，輸出脈沖寬度相應變窄?？刂菩盘柺请娫摧敵龅姆答佪斎?，亦即誤差放大器輸入。

3?3軟啟動電路

KA3511的軟啟動電路如圖4所示。軟啟動的目的是防止SMPS的輸出（3.3V/5V/12V）在啟動時上升太快，達到OVP電平。在主電源開始接通時，死區(qū)時間控制電壓為3V，爾后進入低態(tài)。低態(tài)電壓由R1和R2決定：VDTC(LOW)=×Vref

由于Vref=5V，R1=47kΩ，R2=1kΩ，故VDTC(LOW)≈105mV。在軟啟動過程中，電源輸出上升時間典型值是15ms，輸出占空比從最小到最大變化。

如果遙控電壓為“高”（“H”）態(tài)時，死區(qū)時間控制電壓通過IC內(nèi)3mA的電流源保持在3V[=3mA×R2（1kΩ）]。當遙控電壓變?yōu)椤暗汀保ā癓”）態(tài)時，死區(qū)時間控制電壓將從3V變?yōu)?V。

圖5輸出調(diào)節(jié)電路

圖6OVP電路

圖7UVP電路

圖8遙控開/關及延遲電路

3?4輸出電壓調(diào)節(jié)

輸出電壓調(diào)整電路如圖5所示。＋5V和＋12V的輸出電壓由R1、R2與R3及R4的電阻比確定。如果輸出電壓（＋5V或＋12V）升高或降低，KA3511通過PWM控制比較器信號和誤差放大器輸出，使主電源開關的占空比相應變化，實現(xiàn)SMPS輸出電壓的調(diào)節(jié)。R5與C1組成補償電路，以使系統(tǒng)穩(wěn)定。

3?5OVP電路

OVP電路如圖6所示。OVP功能通過IC腳13、腳14和腳15分別連接到SMPS次邊＋3.3V、＋5V和＋12V的輸出實現(xiàn)。IC內(nèi)部電阻R1與R2、R3與R4和R5與R6的電阻比與參考電壓Vref決定每一個OVP電平。例如，對于＋3.3V輸出的OVP門限電壓為：VOVP1(＋3.3V)=×VA=×Vref=4.1V

同理，R3與R4、R5與R6決定的＋5V和＋12V輸出的OVP電平分別是6?2V和14?2V。

IC腳16（PT）是OVP比較器的另一個保護輸入，OVP電平由PT外部電阻R101和R102決定（典型值是1?15V）。

3?6UVP電路

KA3511的UVP電路如圖7所示。該電路由帶三個輸入的UVP比較器及R1與R2、R3與R4和R5與R6電阻分壓器組成。對于SMPS次邊＋3.3V、＋5V和＋12V的三個輸出，每一個UVP電平分別是2.3V、4V和10V。

3?7遙控開/關與延遲電路

KA3511的遙控開/關及延遲電路如圖8所示。這部分電路利用微處理器控制。如果有一個大信號施加到IC腳6，比較器輸出高電平，并被傳送到開/關延時電路和電源好（PG）電路。如果沒有信號施加到腳6，腳6則保持5V的高電平。當REM（腳6）=“H”時，在經(jīng)過約8ms的開通延時之后，PWM=“H”，主SMPS關斷。當REM=“L”時，在經(jīng)過約24ms的延時之后，PWM=“L”，主SMPS則工作。

3?8R/S觸發(fā)器電路

圖9為KA3511的R/S觸發(fā)器電路。R/S觸發(fā)器由OVP、UVP和一些延遲的遙控開/關信號控制。如果OVP或UVP輸出是高電平，觸發(fā)器置位信號則為高態(tài)，PWM亦為“高”，主電源關斷。當遙控信號是高態(tài)時，它的延遲輸出信號施加到R/S觸發(fā)器的復位端口，導致置位為低態(tài)，從而使輸出Q是低態(tài)。在這個時間中，PWM通過延遲的遙控高信號保持在高態(tài)。在主電源被OVP/UVP和通過遙控初始化關斷之后，如果遙控信號變?yōu)榈蛻B(tài)，主電源則開始工作。

圖9R/S觸發(fā)器電路

圖10電源好信號產(chǎn)生器電路

圖11KA3511應用電路

3?9電源好信號產(chǎn)生器

KA3511的電源好信號產(chǎn)生器電路如圖10所示。電源好信號產(chǎn)生器電路產(chǎn)生依賴于輸出電壓狀態(tài)的“開”與“關”信號。當IC腳11上的輸出PG=“H”時，意味著電源是“好的”；當PG=“L”時，則表示電源出現(xiàn)故障。

當電源接通時，為穩(wěn)定輸出，在經(jīng)過約250ms的延時之后產(chǎn)生PG“高”信號。當電源切斷時，為保護下面所跟隨的系統(tǒng)，通過檢測電源狀態(tài)產(chǎn)生PG“低”信號，并且沒有延遲。

比較器COMP1和COMP2分別用作檢測＋5V和VCC電壓。VCC檢測點電壓為17?2V，腳9（DET）外部電阻R11和R12的取值應符合下面的等式要求：VDET=1.25V×=17.2V

當＋5V的輸出降至4?3V以下時，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，比較器COMP3產(chǎn)生不帶延遲的PG“低”信號。當遙控開/關信號是高態(tài)時，則產(chǎn)生不帶延遲的PG“低”信號。在主電源被接地之前，PG就變?yōu)榈蛻B(tài)。

PG延時（Td）由IC腳10（TPG）外部電容CPG、COMP3的門限電壓Vth和充電電流Ichg決定：Td====250ms

4應用電路

KA3511只需外加很少量的元件，即可在SMPS的次邊組成功能齊全的SMPS輔助電路。KA3511的典型應用電路如圖11所示。

在圖11所示的SMPS次邊監(jiān)控電路中，KA3511的腳13、腳14和腳15分別連接PCSMPS的3?3V、5V和12V的次邊輸出，以履行OVP和UVP功能。IC腳4通過外部電阻分壓器感測SMPS次邊5V和12V的輸出電壓，并與腳3內(nèi)部1?25V的參考電壓進行比較，其輸出和PWM比較器的控制信號調(diào)節(jié)主電源開關的占空比，以使輸出電壓穩(wěn)定。IC腳2與腳3之間在外部連接的RC網(wǎng)絡，用作誤差放大器輸出與反相輸入之間的補償。IC腳6為遙控開/關輸入，腳5外部電容用作遙控開/關延遲。腳7外部12kΩ的電阻和腳8外部0.01μF的電容，用作設定IC振蕩器頻率。腳9可通過外部電阻分壓器對VCC進行欠電壓檢測（見圖10），腳10外部電容（2.2μF）用作電源好（PG）信號延遲，腳17外部電容（2.2μF）用作UVP延遲。