小型化、高效率、低成本、脫線調(diào)節(jié)是開關(guān)電源發(fā)展的必然趨勢.Samsung公司推出的SPS(Samsung Power Switch)器件是將功率開關(guān)與電流模式控制器集成在同一芯片上的單片PWM開關(guān)電源集成電路.它具有門極驅(qū)動、內(nèi)部振動器、電流模式的PWM控制、優(yōu)化反饋、尖峰電流抑制、軟啟動以及過載和過熱保護等功能.因此,使用該芯片可使電源設(shè)計過程更簡單,設(shè)計制造更容易,電源結(jié)構(gòu)更簡潔.
二、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
SPS芯片(KA2SX系列)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,它的封裝形式及管腳如圖2所示.有4管腳和5管腳之分,其中4管腳芯片,沒有軟啟動功能;其中5管腳芯片,具有漏極、接地、電源、反饋和軟啟動功能!
圖1
圖2
2.1啟動部分
啟動過程從電路接通電源開始,到電路允許到穩(wěn)態(tài)為止.SPS內(nèi)部帶有一些專用電路,如欠壓封鎖電路、VCC輸入電壓保護、PWM軟啟動等.這些內(nèi)部建立合適的偏置電壓,并使輸入電壓在安全運行時盡可能地提供最大的輸出功率.其啟動閥值為15V,只要達到該閥值,電路便啟動,當(dāng)電壓降到10V時,欠壓封鎖電路將處于使能狀態(tài).
2.2軟啟動
軟啟動電路主要用于限制起始脈寬并使啟動電容充電,直到5V參考電源穩(wěn)定建立,且內(nèi)外得到適當(dāng)?shù)钠煤?欠壓低那路才允許系統(tǒng)運行.在啟動階段,為了減少功耗,SPS芯片的典型輸入電流只有0.3毫安.
當(dāng)系統(tǒng)接通電源時,電源的外接輸出電容處于放電狀態(tài),由于到達允許電壓需要一定的時間,這使得系統(tǒng)不能在全占空比下啟動.在軟啟動期間,電容Css的放電可使PWM比較器保持在1V的最小電壓系統(tǒng)啟動完畢后,將有1毫安的恒流源和5V的參考電源對Css充電以使其電壓從0V升高到5V.軟啟動電容的容量可選擇為0.2μF.
2.3振蕩器
SPS的內(nèi)部振蕩器可產(chǎn)生50kHz、70kHz和100kHz的振蕩頻率.
振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖3所示波形如圖4所示.它由一個精確的電流源對內(nèi)部電容器充放電來產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率,其鋸齒波是一個峰—峰值為2V的交流信號與一個直流偏置電壓的疊加(見圖4).在放電期間,可通過比較器產(chǎn)生一段脈寬,最小為開關(guān)為周期的30%,此時,門極驅(qū)動為低電平,因此一般的SPS芯片在運行時最大的占空比為70%.而對于2SXX系列占空比可以達到90%.
2.4反饋功能
SPS中的反饋電路可提供如閉環(huán)控制輸出電壓、過載/短路保護、空載下的連續(xù)穩(wěn)定運行等功能.反饋功能在系統(tǒng)啟動時就開始起作用,直到系統(tǒng)穩(wěn)定時結(jié)束.反饋電路非常簡單,僅需一個反饋電容CFB和一個光耦三極管即可.在穩(wěn)定運行時,如果輸出電壓升高,則光耦三極管輸出電壓降低,從而輸出脈寬降低;反之,輸出脈寬則升高.這樣就可使輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài).
在空載運行時,電壓升高,直到占空比減少到最小為止.反饋電容CFB取決于反饋延遲時間,一般取5μF.
2.5過熱保護
利用雙極晶體管的基極-發(fā)射極作為溫度傳感器,可在溫度達到155℃時,使溫度檢測電路向切斷電路發(fā)出一個邏輯信號以使電源關(guān)閉而停止工作.要恢復(fù)工作,輸入電源必須先切斷,然后再打開.
2.6門極啟動
SPS采用門極驅(qū)動可以實現(xiàn)在低功耗狀態(tài)下工作并可減少電磁干擾.
2.7上升沿尖峰電流消隱
在穩(wěn)定運行時,變壓器初級電流在上升沿會有一個高尖峰,如果不將其減弱或消除就會切斷電流檢測電路.該尖峰電流可能與MOSFET的開啟電流重合而與初級電流平均值無關(guān).傳統(tǒng)的處理方法是在電流檢測電路中增加一個低通濾波器,以在SPS芯片內(nèi)部的尖峰處理中將尖峰消除,從而使電流檢測電路直接得到變壓器初級電流的峰值.
應(yīng)用SPS芯片(KA1L0380)設(shè)計的多路開關(guān)電源如圖5所示.該電源的輸入電壓為85-265VAC,最大出入功率為30W,效率為75%,輸出電壓為5V/0.8A和24V/1.2A,開關(guān)頻率為50kHz.該電路的+24V直流輸出可又線性光耦合器B2F9LTV817、可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器KA431和電阻R2所組成的閉環(huán)負反饋回路進行精確地控制而5V輸出則可通過調(diào)整變壓器次級繞組的匝數(shù)來獲得.
在變壓器原邊并聯(lián)的R1和D1和C3為緩沖電路,用以消除變壓器原邊關(guān)斷瞬間形成的反向電壓.當(dāng)+24V電壓發(fā)生變化時,在電阻R5、R5分壓處得到取樣電壓將與KA41提供的電壓進行比較,其誤差電壓將使LED的工作電流產(chǎn)相應(yīng)的變化,從而通過光耦改變反饋極電流的大小,然后調(diào)節(jié)SPS的輸出占空比.這樣即可使電源輸出電壓維持不變而達到穩(wěn)壓的目的.
