開關電源次級智能電壓型PWM控制晶片KA3511

1引言

開關電源（SMPS）次邊監控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次邊監控IC，內部電路往往比初級側PWM控制器IC更加複雜，引腳也往往更多。但是，使用此類IC後，不會引起SMPS元件數量和成本上的增加。本文介紹的美國快捷公司生產的PCSPMS次邊監控晶片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採用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	名稱	功能
1	VCC	電源電壓
2	COMP	誤差放大器（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/關延遲
6	REM	遙控開/關輸入
7	RT	振蕩器頻率設定電阻
8	CT	振蕩器頻率設定電容
9	DET	欠電壓檢測輸入
10	TPG	電源好（PG）信號延遲
11	PG	電源好信號輸出
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	另外的保護輸入
17	TUVP	UVP延遲
18	GND	信號地
19	DTC	死區時間控制輸入
20	C2	輸出驅動
21	E	功率地
22	C1	輸出驅動

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，就可以組成性能優良的SPMS輔助電路；

（2）固定頻率、可變佔空比電壓型PWM控制；

（3）利用死區時間控制實現較啟動；

（4）為推挽操作對偶輸出，每個輸出電晶體的電

流容量為200mA；

（5）對於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）為監視電源電壓電平，使微處理器安全操作，

內置電源好信號產生器；

（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。死區時間控制比較器有一個0.12V的失調電壓，以限制最小輸出死區時間。PWM比較器為誤差放大器調節輸入脈衝寬度提供了一個手段。當振蕩器定時電容CT放電時，在死區時間比較器輸出上產生一個正脈衝。時鐘脈衝控制觸發器，並使輸出電晶體Q1和Q2禁止。為使Q1和Q2推挽工作，脈衝控制觸發器將調製脈衝對準Q1和Q2中的一隻電晶體，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）門驅動輸出電晶體Q1和Q2使能，此情況僅當觸發器時鐘輸入為低電平時發生。隨控制信號幅值的增加，輸出脈衝寬度相應變窄。控制信號是電源輸出的反饋輸入，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，死區時間控制電壓為3V，爾後進入低態。低態電壓由R1和R2決定：VDTC(LOW)=×Vref

由於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，輸出佔空比從最小到最大變化。

如果遙控電壓為「高」（「H」）態時，死區時間控制電壓通過IC內3mA的電流源保持在3V[=3mA×R2（1kΩ）]。當遙控電壓變為「低」（「L」）態時，死區時間控制電壓將從3V變為0V。

圖5輸出調節電路

圖6OVP電路

圖7UVP電路

圖8遙控開/關及延遲電路

3?4輸出電壓調節

輸出電壓調整電路如圖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，使主電源開關的佔空比相應變化，實現SMPS輸出電壓的調節。R5與C1組成補償電路，以使系統穩定。

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。IC內部電阻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，對於＋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。對於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，並被傳送到開/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，在經過約8ms的開通延時之後，PWM=「H」，主SMPS關斷。當REM=「L」時，在經過約24ms的延時之後，PWM=「L」，主SMPS則工作。

3?8R/S觸發器電路

圖9為KA3511的R/S觸發器電路。R/S觸發器由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，觸發器置位信號則為高態，PWM亦為「高」，主電源關斷。當遙控信號是高態時，它的延遲輸出信號施加到R/S觸發器的復位埠，導致置位為低態，從而使輸出Q是低態。在這個時間中，PWM通過延遲的遙控高信號保持在高態。在主電源被OVP/UVP和通過遙控初始化關斷之後，如果遙控信號變為低態，主電源則開始工作。

圖9R/S觸發器電路

圖10電源好信號產生器電路

圖11KA3511應用電路

3?9電源好信號產生器

KA3511的電源好信號產生器電路如圖10所示。電源好信號產生器電路產生依賴於輸出電壓狀態的「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，則表示電源出現故障。

當電源接通時，為穩定輸出，在經過約250ms的延時之後產生PG「高」信號。當電源切斷時，為保護下面所跟隨的系統，通過檢測電源狀態產生PG「低」信號，並且沒有延遲。

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，為提高系統穩定性，比較器COMP3產生不帶延遲的PG「低」信號。當遙控開/關信號是高態時，則產生不帶延遲的PG「低」信號。在主電源被接地之前，PG就變為低態。

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隻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，並與腳3內部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節主電源開關的佔空比，以使輸出電壓穩定。IC腳2與腳3之間在外部連接的RC網絡，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。