小型化、高效率、低成本、脱线调节是开关电源发展的必然趋势.Samsung公司推出的SPS(Samsung Power Switch)器件是将功率开关与电流模式控制器集成在同一芯片上的单片PWM开关电源集成电路.它具有门极驱动、内部振动器、电流模式的PWM控制、优化反馈、尖峰电流抑制、软启动以及过载和过热保护等功能.因此,使用该芯片可使电源设计过程更简单,设计制造更容易,电源结构更简洁.
二、内部结构和工作原理
SPS芯片(KA2SX系列)的内部结构如图1所示,它的封装形式及管脚如图2所示.有4管脚和5管脚之分,其中4管脚芯片,没有软启动功能;其中5管脚芯片,具有漏极、接地、电源、反馈和软启动功能!
图1
图2
2.1启动部分
启动过程从电路接通电源开始,到电路允许到稳态为止.SPS内部带有一些专用电路,如欠压封锁电路、VCC输入电压保护、PWM软启动等.这些内部建立合适的偏置电压,并使输入电压在安全运行时尽可能地提供最大的输出功率.其启动阀值为15V,只要达到该阀值,电路便启动,当电压降到10V时,欠压封锁电路将处于使能状态.
2.2软启动
软启动电路主要用于限制起始脉宽并使启动电容充电,直到5V参考电源稳定建立,且内外得到适当的偏置后,欠压低那路才允许系统运行.在启动阶段,为了减少功耗,SPS芯片的典型输入电流只有0.3毫安.
当系统接通电源时,电源的外接输出电容处于放电状态,由于到达允许电压需要一定的时间,这使得系统不能在全占空比下启动.在软启动期间,电容Css的放电可使PWM比较器保持在1V的最小电压系统启动完毕后,将有1毫安的恒流源和5V的参考电源对Css充电以使其电压从0V升高到5V.软启动电容的容量可选择为0.2μF.
2.3振荡器
SPS的内部振荡器可产生50kHz、70kHz和100kHz的振荡频率.
振荡器的结构如图3所示波形如图4所示.它由一个精确的电流源对内部电容器充放电来产生稳定的振荡频率,其锯齿波是一个峰—峰值为2V的交流信号与一个直流偏置电压的叠加(见图4).在放电期间,可通过比较器产生一段脉宽,最小为开关为周期的30%,此时,门极驱动为低电平,因此一般的SPS芯片在运行时最大的占空比为70%.而对于2SXX系列占空比可以达到90%.
2.4反馈功能
SPS中的反馈电路可提供如闭环控制输出电压、过载/短路保护、空载下的连续稳定运行等功能.反馈功能在系统启动时就开始起作用,直到系统稳定时结束.反馈电路非常简单,仅需一个反馈电容CFB和一个光耦三极管即可.在稳定运行时,如果输出电压升高,则光耦三极管输出电压降低,从而输出脉宽降低;反之,输出脉宽则升高.这样就可使输出电压处于稳定状态.
在空载运行时,电压升高,直到占空比减少到最小为止.反馈电容CFB取决于反馈延迟时间,一般取5μF.
2.5过热保护
利用双极晶体管的基极-发射极作为温度传感器,可在温度达到155℃时,使温度检测电路向切断电路发出一个逻辑信号以使电源关闭而停止工作.要恢复工作,输入电源必须先切断,然后再打开.
2.6门极启动
SPS采用门极驱动可以实现在低功耗状态下工作并可减少电磁干扰.
2.7上升沿尖峰电流消隐
在稳定运行时,变压器初级电流在上升沿会有一个高尖峰,如果不将其减弱或消除就会切断电流检测电路.该尖峰电流可能与MOSFET的开启电流重合而与初级电流平均值无关.传统的处理方法是在电流检测电路中增加一个低通滤波器,以在SPS芯片内部的尖峰处理中将尖峰消除,从而使电流检测电路直接得到变压器初级电流的峰值.
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应用SPS芯片(KA1L0380)设计的多路开关电源如图5所示.该电源的输入电压为85-265VAC,最大出入功率为30W,效率为75%,输出电压为5V/0.8A和24V/1.2A,开关频率为50kHz.该电路的+24V直流输出可又线性光耦合器B2F9LTV817、可调精密并联稳压器KA431和电阻R2所组成的闭环负反馈回路进行精确地控制而5V输出则可通过调整变压器次级绕组的匝数来获得.
在变压器原边并联的R1和D1和C3为缓冲电路,用以消除变压器原边关断瞬间形成的反向电压.当+24V电压发生变化时,在电阻R5、R5分压处得到取样电压将与KA41提供的电压进行比较,其误差电压将使LED的工作电流产相应的变化,从而通过光耦改变反馈极电流的大小,然后调节SPS的输出占空比.这样即可使电源输出电压维持不变而达到稳压的目的.
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