开关电源次级智能电压型PWM控制芯片KA3511

开关电源（SMPS）次边监控IC，用作组成SMPS的辅助（housekeeping）电路，以履行过电压和欠电压保护及遥控开/关等功能。SPMS次边监控IC，内部电路往往比初级侧PWM控制器IC更加复杂，引脚也往往更多。但是，使用此类IC后，不会引起SMPS元件数量和成本上的增加。本文介绍的美国快捷公司生产的PCSPMS次边监控芯片KA3511，是一种改进型的固定频率PWM控制IC。用其设计PC电源，是目前比较理想的选择。2引脚功能及主要特点KA3511采用22脚DIP封装，引脚排列如图1所示。KA3511主要由振荡器、误差放大器、PWM比较器、过电压保护（OVP）与欠电压保护（UVP）电路、遥控开/关控制电路、电源好（pwoergood）信号产生器和精密参考电压等单元电路所组成，引脚功能如1所示。表1引脚功能 脚号 名称 功能 1 VCC 电源电压 2 COMP 误差放大器（E/A）输出 3 E/A(－) E/A反向输入 4 E/A(＋) E/A同相输入 5 TREM 遥控开/关延迟 6 REM 遥控开/关输入 7 RT 振荡器频率设定电阻 8 CT 振荡器频率设定电容 9 DET 欠电压检测输入 10 TPG 电源好（PG）信号延迟 11 PG 电源好信号输出 12 Vref 5.03V±2％的参考电压 13 V3.3 3.3V输出的OVP、UVP输入 14 V5 5V输出的OVP、UVP输入 15 V12 12V输出的OVP、UVP输入 16 PT 另外的保护输入 17 TUVP UVP延迟 18 GND 信号地 19 DTC 死区时间控制输入 20 C2 输出驱动 21 E 功率地 22 C1 输出驱动图1KA3511引脚排列图2PWM控制电路图3工作波形图4软启动电路KA3511的主要特点如下：（1）只需很少量的外部元件，就可以组成性能优良的SPMS辅助电路；（2）固定频率、可变占空比电压型PWM控制；（3）利用死区时间控制实现较启动；（4）为推挽操作对偶输出，每个输出晶体管的电流容量为200mA；（5）对于SMPS的＋3.3V、＋5V和＋12V输出，具有OVP和UVP功能；（6）遥控开/关控制功能；（7）为监视电源电压电平，使微处理器安全操作，内置电源好信号产生器；（8）精密电压参考，容差为±2％（4.9V≤Vref≤5.1V）；（9）电源电压VCC=14～30V，待机（standby）电流（ICC）典型值是10mA。3工作原理31振荡器KA3511是固定频率PWM控制IC，内部线性锯齿波振荡器的频率由IC脚7外部电阻RT和脚8外部电容CT设定：fosc=32PWM控制电路KA3511的PWM控制电路如图2所示，图3为其工作波形。误差放大器用作感测电源输出电压，它的输出连接到PWM比较器的同相输入端。死区时间控制比较器有一个0.12V的失调电压，以限制最小输出死区时间。PWM比较器为误差放大器调节输入脉冲宽度提供了一个手段。当振荡器定时电容CT放电时，在死区时间比较器输出上产生一个正脉冲。时钟脉冲控制触发器，并使输出晶体管Q1和Q2禁止。为使Q1和Q2推挽工作，脉冲控制触发器将调制脉冲对准Q1和Q2中的一只晶体管，其输出频率是振荡器频率的一半。输出PWM通过CT上的正锯齿波与两个控制信号中的任意一个进行比较完成。或非（NOR）门驱动输出晶体管Q1和Q2使能，此情况仅当触发器时钟输入为低电平时发生。随控制信号幅值的增加，输出脉冲宽度相应变窄。控制信号是电源输出的反馈输入，亦即误差放大器输入。33软启动电路KA3511的软启动电路如图4所示。软启动的目的是防止SMPS的输出（3.3V/5V/12V）在启动时上升太快，达到OVP电平。在主电源开始接通时，死区时间控制电压为3V，尔后进入低态。低态电压由R1和R2决定：VDTC(LOW)=×Vref由于Vref=5V，R1=47kΩ，R2=1kΩ，故VDTC(LOW)≈105mV。在软启动过程中，电源输出上升时间典型值是15ms，输出占空比从最小到最大变化。如果遥控电压为“高”（“H”）态时，死区时间控制电压通过IC内3mA的电流源保持在3V[=3mA×R2（1kΩ）]。当遥控电压变为“低”（“L”）态时，死区时间控制电压将从3V变为0V。图5输出调节电路图6OVP电路图7UVP电路图8遥控开/关及延迟电路34输出电压调节输出电压调整电路如图5所示。＋5V和＋12V的输出电压由R1、R2与R3及R4的电阻比确定。如果输出电压（＋5V或＋12V）升高或降低，KA3511通过PWM控制比较器信号和误差放大器输出，使主电源开关的占空比相应变化，实现SMPS输出电压的调节。R5与C1组成补偿电路，以使系统稳定。35OVP电路OVP电路如图6所示。OVP功能通过IC脚13、脚14和脚15分别连接到SMPS次边＋3.3V、＋5V和＋12V的输出实现。IC内部电阻R1与R2、R3与R4和R5与R6的电阻比与参考电压Vref决定每一个OVP电平。例如，对于＋3.3V输出的OVP门限电压为：VOVP1(＋3.3V)=×VA=×Vref=4.1V同理，R3与R4、R5与R6决定的＋5V和＋12V输出的OVP电平分别是62V和142V。IC脚16（PT）是OVP比较器的另一个保护输入，OVP电平由PT外部电阻R101和R102决定（典型值是115V）。36UVP电路KA3511的UVP电路如图7所示。该电路由带三个输入的UVP比较器及R1与R2、R3与R4和R5与R6电阻分压器组成。对于SMPS次边＋3.3V、＋5V和＋12V的三个输出，每一个UVP电平分别是2.3V、4V和10V。37遥控开/关与延迟电路KA3511的遥控开/关及延迟电路如图8所示。这部分电路利用微处理器控制。如果有一个大信号施加到IC脚6，比较器输出高电平，并被传送到开/关延时电路和电源好（PG）电路。如果没有信号施加到脚6，脚6则保持5V的高电平。当REM（脚6）=“H”时，在经过约8ms的开通延时之后，PWM=“H”，主SMPS关断。当REM=“L”时，在经过约24ms的延时之后，PWM=“L”，主SMPS则工作。38R/S触发器电路图9为KA3511的R/S触发器电路。R/S触发器由OVP、UVP和一些延迟的遥控开/关信号控制。如果OVP或UVP输出是高电平，触发器置位信号则为高态，PWM亦为“高”，主电源关断。当遥控信号是高态时，它的延迟输出信号施加到R/S触发器的复位端口，导致置位为低态，从而使输出Q是低态。在这个时间中，PWM通过延迟的遥控高信号保持在高态。在主电源被OVP/UVP和通过遥控初始化关断之后，如果遥控信号变为低态，主电源则开始工作。图9R/S触发器电路图10电源好信号产生器电路图11KA3511应用电路39电源好信号产生器KA3511的电源好信号产生器电路如图10所示。电源好信号产生器电路产生依赖于输出电压状态的“开”与“关”信号。当IC脚11上的输出PG=“H”时，意味着电源是“好的”；当PG=“L”时，则表示电源出现故障。当电源接通时，为稳定输出，在经过约250ms的延时之后产生PG“高”信号。当电源切断时，为保护下面所跟随的系统，通过检测电源状态产生PG“低”信号，并且没有延迟。比较器COMP1和COMP2分别用作检测＋5V和VCC电压。VCC检测点电压为172V，脚9（DET）外部电阻R11和R12的取值应符合下面的等式要求：VDET=1.25V×=17.2V当＋5V的输出降至43V以下时，为提高系统稳定性，比较器COMP3产生不带延迟的PG“低”信号。当遥控开/关信号是高态时，则产生不带延迟的PG“低”信号。在主电源被接地之前，PG就变为低态。PG延时（Td）由IC脚10（TPG）外部电容CPG、COMP3的门限电压Vth和充电电流Ichg决定：Td====250ms4应用电路KA3511只需外加很少量的元件，即可在SMPS的次边组成功能齐全的SMPS辅助电路。KA3511的典型应用电路如图11所示。在图11所示的SMPS次边监控电路中，KA3511的脚13、脚14和脚15分别连接PCSMPS的33V、5V和12V的次边输出，以履行OVP和UVP功能。IC脚4通过外部电阻分压器感测SMPS次边5V和12V的输出电压，并与脚3内部125V的参考电压进行比较，其输出和PWM比较器的控制信号调节主电源开关的占空比，以使输出电压稳定。IC脚2与脚3之间在外部连接的RC网络，用作误差放大器输出与反相输入之间的补偿。IC脚6为遥控开/关输入，脚5外部电容用作遥控开/关延迟。脚7外部12kΩ的电阻和脚8外部0.01μF的电容，用作设定IC振荡器频率。脚9可通过外部电阻分压器对VCC进行欠电压检测（见图10），脚10外部电容（2.2μF）用作电源好（PG）信号延迟，脚17外部电容（2.2μF）用作UVP延迟。