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開(kāi)關(guān)電源次級(jí)智能電壓型PWM控制芯片KA3511

作者: 時(shí)間:2011-05-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1引言

開(kāi)關(guān)電源(SMPS)次邊監(jiān)控IC,用作組成SMPS的輔助(housekeeping)電路,以履行過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)及遙控開(kāi)/關(guān)等功能。SPMS次邊監(jiān)控IC,內(nèi)部電路往往比初級(jí)側(cè)PWM控制器IC更加復(fù)雜,引腳也往往更多。但是,使用此類IC后,不會(huì)引起SMPS元件數(shù)量和成本上的增加。本文介紹的美國(guó)快捷公司生產(chǎn)的PCSPMS次邊監(jiān)控芯片KA3511,是一種改進(jìn)型的固定頻率PWM控制IC。用其設(shè)計(jì)PC電源,是目前比較理想的選擇。

2引腳功能及主要特點(diǎn)

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、PWM比較器、過(guò)電壓保護(hù)(OVP)與欠電壓保護(hù)(UVP)電路、遙控開(kāi)/關(guān)控制電路、電源好(pwoergood)信號(hào)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

腳號(hào) 名稱 功能
1 VCC 電源電壓
2 COMP 誤差(E/A)輸出
3 E/A(-) E/A反向輸入
4 E/A(+) E/A同相輸入
5 TREM 遙控開(kāi)/關(guān)延遲
6 REM 遙控開(kāi)/關(guān)輸入
7 RT 振蕩器頻率設(shè)定電阻
8 CT 振蕩器頻率設(shè)定電容
9 DET 欠電壓檢測(cè)輸入
10 TPG 電源好(PG)信號(hào)延遲
11 PG 電源好信號(hào)輸出
12 Vref 5.03V±2%的參考電壓
13 V3.3 3.3V輸出的OVP、UVP輸入
14 V5 5V輸出的OVP、UVP輸入
15 V12 12V輸出的OVP、UVP輸入
16 PT 另外的保護(hù)輸入
17 TUVP UVP延遲
18 GND 信號(hào)地
19 DTC 死區(qū)時(shí)間控制輸入
20 C2 輸出驅(qū)動(dòng)
21 E 功率地
22 C1 輸出驅(qū)動(dòng)

圖1KA3511引腳排列

圖2PWM控制電路

圖3工作波形

圖4軟啟動(dòng)電路

KA3511的主要特點(diǎn)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(shí)間控制實(shí)現(xiàn)較啟動(dòng);

(4)為推挽操作對(duì)偶輸出,每個(gè)輸出晶體管的電

流容量為200mA;

(5)對(duì)于SMPS的+3.3V、+5V和+12V輸出,

具有OVP和UVP功能;

(6)遙控開(kāi)/關(guān)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(hào)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(jī)(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(shè)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。

誤差用作感測(cè)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(shí)間控制比較器有一個(gè)0.12V的失調(diào)電壓,以限制最小輸出死區(qū)時(shí)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(gè)手段。當(dāng)振蕩器定時(shí)電容CT放電時(shí),在死區(qū)時(shí)間比較器輸出上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。時(shí)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(duì)準(zhǔn)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(guò)CT上的正鋸齒波與兩個(gè)控制信號(hào)中的任意一個(gè)進(jìn)行比較完成?;蚍牵∟OR)門(mén)驅(qū)動(dòng)輸出晶體管Q1和Q2使能,此情況僅當(dāng)觸發(fā)器時(shí)鐘輸入為低電平時(shí)發(fā)生。隨控制信號(hào)幅值的增加,輸出脈沖寬度相應(yīng)變窄??刂菩盘?hào)是電源輸出的反饋輸入,亦即誤差放大器輸入。

3?3軟啟動(dòng)電路

KA3511的軟啟動(dòng)電路如圖4所示。軟啟動(dòng)的目的是防止SMPS的輸出(3.3V/5V/12V)在啟動(dòng)時(shí)上升太快,達(dá)到OVP電平。在主電源開(kāi)始接通時(shí),死區(qū)時(shí)間控制電壓為3V,爾后進(jìn)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(dòng)過(guò)程中,電源輸出上升時(shí)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(shí),死區(qū)時(shí)間控制電壓通過(guò)IC內(nèi)3mA的電流源保持在3V[=3mA×R2(1kΩ)]。當(dāng)遙控電壓變?yōu)椤暗汀保ā癓”)態(tài)時(shí),死區(qū)時(shí)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(kāi)/關(guān)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(guò)PWM控制比較器信號(hào)和誤差放大器輸出,使主電源開(kāi)關(guān)的占空比相應(yīng)變化,實(shí)現(xiàn)SMPS輸出電壓的調(diào)節(jié)。R5與C1組成補(bǔ)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(guò)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(shí)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(gè)OVP電平。例如,對(duì)于+3.3V輸出的OVP門(mén)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(gè)保護(hù)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(gè)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(duì)于SMPS次邊+3.3V、+5V和+12V的三個(gè)輸出,每一個(gè)UVP電平分別是2.3V、4V和10V。

3?7遙控開(kāi)/關(guān)與延遲電路

KA3511的遙控開(kāi)/關(guān)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(gè)大信號(hào)施加到IC腳6,比較器輸出高電平,并被傳送到開(kāi)/關(guān)延時(shí)電路和電源好(PG)電路。如果沒(méi)有信號(hào)施加到腳6,腳6則保持5V的高電平。當(dāng)REM(腳6)=“H”時(shí),在經(jīng)過(guò)約8ms的開(kāi)通延時(shí)之后,PWM=“H”,主SMPS關(guān)斷。當(dāng)REM=“L”時(shí),在經(jīng)過(guò)約24ms的延時(shí)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(kāi)/關(guān)信號(hào)控制。如果OVP或UVP輸出是高電平,觸發(fā)器置位信號(hào)則為高態(tài),PWM亦為“高”,主電源關(guān)斷。當(dāng)遙控信號(hào)是高態(tài)時(shí),它的延遲輸出信號(hào)施加到R/S觸發(fā)器的復(fù)位端口,導(dǎo)致置位為低態(tài),從而使輸出Q是低態(tài)。在這個(gè)時(shí)間中,PWM通過(guò)延遲的遙控高信號(hào)保持在高態(tài)。在主電源被OVP/UVP和通過(guò)遙控初始化關(guān)斷之后,如果遙控信號(hào)變?yōu)榈蛻B(tài),主電源則開(kāi)始工作。

圖9R/S觸發(fā)器電路

圖10電源好信號(hào)產(chǎn)生器電路

圖11KA3511應(yīng)用電路

3?9電源好信號(hào)產(chǎn)生器

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

當(dāng)電源接通時(shí),為穩(wěn)定輸出,在經(jīng)過(guò)約250ms的延時(shí)之后產(chǎn)生PG“高”信號(hào)。當(dāng)電源切斷時(shí),為保護(hù)下面所跟隨的系統(tǒng),通過(guò)檢測(cè)電源狀態(tài)產(chǎn)生PG“低”信號(hào),并且沒(méi)有延遲。

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

當(dāng)+5V的輸出降至4?3V以下時(shí),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(hào)。當(dāng)遙控開(kāi)/關(guān)信號(hào)是高態(tài)時(shí),則產(chǎn)生不帶延遲的PG“低”信號(hào)。在主電源被接地之前,PG就變?yōu)榈蛻B(tài)。

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

4應(yīng)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(yīng)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(guò)外部電阻分壓器感測(cè)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(jìn)行比較,其輸出和PWM比較器的控制信號(hào)調(diào)節(jié)主電源開(kāi)關(guān)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(luò),用作誤差放大器輸出與反相輸入之間的補(bǔ)償。IC腳6為遙控開(kāi)/關(guān)輸入,腳5外部電容用作遙控開(kāi)/關(guān)延遲。腳7外部12kΩ的電阻和腳8外部0.01μF的電容,用作設(shè)定IC振蕩器頻率。腳9可通過(guò)外部電阻分壓器對(duì)VCC進(jìn)行欠電壓檢測(cè)(見(jiàn)圖10),腳10外部電容(2.2μF)用作電源好(PG)信號(hào)延遲,腳17外部電容(2.2μF)用作UVP延遲。

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