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FA5310/FA5311开关电源控制IC及其应用

摘要:FA5310/FA5311是日本富士电机公司推出的新型开电源控制IC,它具有多种保护功能,且外接电路简单,应用方便。文中介绍了FA5310/FA5311开关电源控制IC的性能、特点及工作原理。并给出了它的一种具体应用电路。

 
1 概述
    许多电子系统都需要开关电源开关电源的电路多种多样,现在已有许多控制芯片得到应用。控制芯片的广泛应用大大简化了电路设计,它们只要再外接一些器件即可组成开关电源。FA5310/FA5311是日本富士电机公司的产品,它具有多种保护功能,外接电路简单,具有很大的实用价值。
2 特点
    FA5310/FA5311具有如下特点:
    ●可直接驱动功率MOSFET(Io=±1.5A);
    ●宽工作频率范围(5~600kHz);
    ●具有逐脉冲过流限制功能;
    ●有过载切断功能(可选用锁定或无保护模式);
    ●可用外部信号控制输出ON/OFF;
    ●有过压切断功能(锁定模式中)和欠压误动作保护功能(16V时导通,8.7V时关断);
    ●等待电流低(90μA);
    ●FA5310的占空比为Dmax=46%,可用于正激和反激电路;
    FA5311的占空比为Dmax=70%,用于激电路;
3 引脚排列及功能
    图1为FA5310/FA5311的引脚排列图。它采用8脚DIP和SOP两种封装形式。表1所列为各引脚的功能说明。

表1 引脚功能

引脚引脚符号功  能
1RT振荡时基电阻
2FB反馈端
3IS(+)过流(+)检测
4GND接地
5OUT输出
6VCC电源
7CT振荡时基电容
8CS软启动和ON/OFF控制

4 工作原理
    图2为FA5310/FA5311的内部原理图。工作原理如下:
4.1 振荡器
    振荡器通过电容充放电产生三角度,CT脚的电压在约3.0V至1.0V的范围内振荡。振荡频率由1脚和7脚的外接时基电阻RT和时基电容CT决定。如下式:
    f=106/4RTCT
    式中,f的单位为kHz,RT为kΩ,CT的单位为pF。
4.2 PWM比较器
    PWM比较器有四个输入端(如图3所示)。其中振荡器输出(1)与CS脚电压(2)、FB脚电压(3)及DT电压(4)作比较。若(2)(3)(4)脚的最小值比(1)脚低,则PWM比较器输出为高电平,IC输出为低电平;否则PWM比较器输出为低电平,IC输出为高电平。
图4为PWM比较器时序图。当IC加上电源后,可用CS脚电压控制软启动工作,输出脉冲逐渐变宽。在正常工作时,输出脉宽取决于最大占空比Dmax、DT电压及FB脚电压。
4.3 CS脚电路
    CS脚可用于软启动工作、过载及过压输出关断和输出的ON/OFF控制。
    a.软启动功能
    当电源开通时,10μA的恒流源开始给电容CS充电。CS脚电压因充电而缓慢上升。因而PWM比较器的输出脉冲也缓慢变宽。
    软启动时间可近似地从IC启动到输出脉宽变宽30%的时间来估算。软启动时间由下式给出:
    ts(ms)=160Cs(μF)
    b.过载关断
    如果输出电压由于过载或短路而下降,FB脚的电压将上升。如果FB脚电压超过比较器C3的参考电压(2.8V)C3的输出为低电平,将使晶体管Q关断。在正常工作时,晶体管Q是开通的。CS脚被稳压管Zn箝在3.6V。该稳压管的最大击穿电流为65μA。当Q关断时,箝制解除,10μA的恒流源开始给电容CS充电,CS脚电压上升。当CS脚电压超过比较器C2的参考电压(7.0V)时,C2的输出为高电平,从而使偏置电路关断。这样IC就进入了锁定模式并关断输出,关断电流的消耗为400μA(Vcc=9V)。此电流必须通过启动电阻提供。而此时IC给MOSFET栅极开始放电。
    将电源电压Vcc降至8.7V以下或将CS脚电压强制降到7.0V时可以使电路重新启动。
    从输出短路到关断偏置电路的时间周期tOL由下式给出:
    tOL(ms)=340Cs(μf)
    c.输出ON/OFF控制
    如果在电容Cs旁并联一个三极管,并通过控制三极管的导通和载止来控制CS脚电压,即可控制IC的导通或关断。
    如果三极管导通,CS脚电压降至0.42V以下,C1比较器输出高电平使偏置电路关断,从而使IC输出关断,IC给MOSFET栅极放电。如果三极管载止,Cs又开始充电,IC开始软启动。电源又重新开始工作。
4.4 过流限制电路
    过流限制电路通过检测主开关MOSFET漏极电流的逐个脉冲的峰值来限制过流。检测的阈值电压是+0.24V。
    MOSFET的漏极电流被电阻R2(见图5)转换成电压并反馈到IS脚。如果电压超过比较器C4的参考电压(0.24V),则C4输出为高电平,RS触发器的输出Q亦为高电平,则输出脚迅速关断电流。RS触发器的输出Q在振荡器的下一个周期被复位,使输出端又开始工作。这个工作重复用来限制过流。如果过流限制因噪声而产生误动作,可在IS脚和MOSFET之间接一个RC滤波器。
4.5 欠压锁定电路
    在电源下降时,IC中的欠压锁定电路能阻止IC误协作。当电源电压从0V开始上升,IC在Vcc=16.0V时开始工作。当电源电压下降到Vcc=8.7V时,IC关断输出。当欠压锁定电路工作时,CS脚电压变低,使IC复位。
4.6 输出电路
    IC的推挽输出可直接驱动MOSFET。OUT脚的电流可达1.5A。
    在欠压锁定电路工作时,如果IC停止工作,MOSFET栅压降低,MOSFET被关断。
5 应用电路及设计考虑
    图5为FA5310/5311的应用电路。从电源开通到IC启动的时间由R1和C5确定。如果它们太大,电路起动就较慢。R1必须根据式(4)来确定。考虑到电路关断时的电流为400μA(在Vcc=9V时):
    R1<[VAC(2)1/2/π-9]/400
    VAC为交流输入电压。
    IC供电电路在起动时,由电源通过R1供电,但电流较小。电路正常工作以后,由变压器的馈电绕组经二极管ERA91-02整流后给IC供电,这样既可保证IC要求的电流。又可省掉辅助电源。MOSFET因为要承受电源两倍的峰压、电网的波动以及浪涌电压,所以对于220V的电网电压,MOSFET的耐压最好应在800V而发——漏极间的RC电路用来抑制浪涌电压。
    在变压器次级,当输出电压瞬间比5V高的多时,光耦PC1导通,使FB端短接地,IC暂停输出,从而使电路输出保持平稳。


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