0 引言
準(zhǔn)諧振開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、IT等產(chǎn)業(yè)。仙童(Fairchild)的KA5Q系列開關(guān)電源模塊在彩電和LCD顯示器等家用電子產(chǎn)品中應(yīng)用比較多，以KA5Q電源模塊為核心開發(fā)的準(zhǔn)諧振開關(guān)電源，外圍電路簡(jiǎn)單，電源采用副邊輸出采樣和光耦反饋穩(wěn)壓，電路具有準(zhǔn)諧振、高效率、寬輸入范圍、良好的輸入電壓調(diào)整率和負(fù)載輸出特性，還有過流、過壓及熱保護(hù)等。
1 KA5Q系列電源模塊電路架構(gòu)分析
圖1所示是KA5Q電源模塊的內(nèi)部原理框圖，以下結(jié)合圖2所示準(zhǔn)諧振開關(guān)電源基本電路架構(gòu)，對(duì)應(yīng)用KA5Q開發(fā)的準(zhǔn)諧振開關(guān)電源的功能進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
KA5Q的腳1為電源開關(guān)MOS管的漏級(jí)D，是電源輸入電流端口，該端口特性決定了電源系統(tǒng)的負(fù)載能力。準(zhǔn)諧振電源主要由該腳與開關(guān)變壓器初級(jí)主繞組以及外接諧振電容C4組成。
KA5Q的腳2為整個(gè)電源模塊的地，在設(shè)計(jì)完整的開關(guān)電源系統(tǒng)中，該地是開關(guān)變壓器原邊熱地。
KA5Q的腳3為電源模塊的供電端，一般正常供電電壓為18V。圖2所示電源，半波整流電壓通過R1、C2供給VCC以啟動(dòng)開關(guān)IC，KA5Q系列的啟動(dòng)電流為50μA，在交流輸入電壓半個(gè)周期內(nèi)，R1對(duì)地峰值電壓VR1≈Vd(整流電壓)，VR1經(jīng)過R1向C2充電，使VCC腳上電壓近似線性上升到IC啟動(dòng)閾值電壓15V時(shí)，控制電路開始啟動(dòng)。為保證電源啟動(dòng)正常，電容R1、C2充電時(shí)間必須選取合適，必須保證在輔助繞組通過D1提供開關(guān)電壓前，R1提供給C2的電壓不下降至IC停振閾值電壓9V以下(如圖3所示)。電路開始振蕩產(chǎn)生開關(guān)控制信號(hào)后，由開關(guān)變壓器T1的輔助繞組Ns產(chǎn)生頻率幾十kHz的開關(guān)脈沖信號(hào)，通過D1、C2、D3整流濾波穩(wěn)壓產(chǎn)生IC正常工作電壓。同時(shí)必須注意Ns匝數(shù)，經(jīng)整流濾波后C2上電壓在IC正常工作電壓要求范圍之內(nèi)，過高則過壓保護(hù)電路起作用，偏低時(shí)則欠壓保護(hù)電路起作用，此電壓應(yīng)根據(jù)IC規(guī)定設(shè)計(jì)。一般對(duì)于寬輸入電源AC 90～270V電壓，C2取值47~100μF，R1取47～68kΩ是合適的，對(duì)于窄輸入電源AC 200V，R1可取82～300kΩ。
KA5Q的腳4為反饋控制腳，如圖4所示，通過光耦將副邊輸出電壓VO1采樣反饋給輸入腳，再通過電源模塊內(nèi)部控制，可達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖4中R1、R2設(shè)置誤差放大參考電壓為2．5V，CB是過負(fù)載情況下，控制電源延遲關(guān)斷時(shí)間的反饋延遲控制電容，通過該電容一般將電源關(guān)斷延遲時(shí)間控制在20～50ms范圍內(nèi)。
KA5Q的腳5為同步控制腳，圖2所示，開關(guān)變壓器T1輔助繞組Ns的感應(yīng)電壓通過同步控制電路的D2、R2、R3、C3輸入同步控制SYNC腳。如圖5所示，當(dāng)同步腳輸入電平高于4．6V時(shí)，電源模塊內(nèi)部控制電平同步轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，?dāng)同步腳輸入電平低于2．6V時(shí)，電源模塊內(nèi)部控制電平同步轉(zhuǎn)變?yōu)榈停瑫r(shí)控制MOS管導(dǎo)通，因此通過同步控制電路可控制開關(guān)管在準(zhǔn)諧振電容C4和開關(guān)變壓器T1原邊NP諧振的最低點(diǎn)導(dǎo)通(如圖6中uDS的諧振延時(shí)導(dǎo)通點(diǎn))。G3的大小決定了準(zhǔn)諧振延時(shí)導(dǎo)通時(shí)間tr一般要求tr與式(2)計(jì)算所得的初級(jí)諧振周期的一半tF相等為最佳。準(zhǔn)諧振延時(shí)時(shí)間是C3、R3的一階零輸入響應(yīng)曲線，因此根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)以及tr等于tF可推導(dǎo)出C3的大小。
同步控制腳輸入電平高于12V時(shí)，電源會(huì)進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)，因此，一般通過R2、R3分壓將輔助電源繞組提供的高電平設(shè)定在9V左右比較合適。
2 應(yīng)用
以下利用KA5Q電源模塊設(shè)計(jì)一準(zhǔn)諧振開關(guān)電源，電路參數(shù)是在各極限條件下計(jì)算得到最佳參數(shù)，數(shù)據(jù)是在標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出條件下得到。
2．1 相關(guān)電路參數(shù)的選擇
設(shè)計(jì)的最大負(fù)載功率Po為72W，電源效率η估計(jì)為80％，由式(4)可得電源最大輸入功率Pin：
計(jì)算次級(jí)反射電壓Vf，首先確定Dmax為0．3，并要求輸入最小交流電壓150V，最大輸入交流電壓260V，則交流整流濾波后的最小和最大直流電壓約為190V和368V，由式(5)可得副邊反射電壓為
式中：Vin_min是交流整流濾波后的最小直流電壓。
由于最大直流電壓Vin_max、Vf與開關(guān)振蕩電壓之和(稱為肩電壓，按照以上計(jì)算此處約為450V)必須小于MOS管的最大漏源電壓值(Vds_max)，如圖5所示，因此當(dāng)肩電壓偏大時(shí)，可通過減小Vf達(dá)到要求，一般要減小Vf可通過減小Dmax實(shí)現(xiàn)。
Iin是MOS管的平均電流，可以由式(4)推出，確定合適的MOS管峰值電流Idp是開關(guān)管可靠工作的重要保證，一般開關(guān)電流為三角波，其值可由式(6)計(jì)算得到，即
為滿足由以上計(jì)算參數(shù)，可選擇KA5Q系列開關(guān)電源模塊中的KA5Q07565RT，其關(guān)鍵參數(shù)如下：
(1)MOS管最大工作電流 典型值-5．0A，最小值-4．4A，最大值-6A；
(2)MOS管D-S最大耐壓 650V；
(3)最大輸出功率 130W。
在確定了以上基本參數(shù)后，根據(jù)KA5Q電源模塊的規(guī)格書以及應(yīng)用報(bào)告，即可設(shè)計(jì)開關(guān)變壓器，本文對(duì)此不作介紹，對(duì)于開關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)、制造可參考相關(guān)文獻(xiàn)。
2．2 實(shí)驗(yàn)仿真測(cè)試結(jié)果
仿真測(cè)試條件：
(1)交流輸入 220V，50Hz：
(2)負(fù)載1 UO1=12V，IO1=1．7A；
(3)負(fù)載2 UO2=12V，IO2=1．7A。
由于輸入交流電壓為220V，負(fù)載在考慮余量情況，設(shè)定為最大輸出的60％，因此實(shí)際測(cè)試波形的部分參數(shù)(肩電壓、Idps、Vin等)是按照實(shí)際輸入條件得到的，其與根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得到的值有部分差異。實(shí)測(cè)波形和部分關(guān)鍵參數(shù)如圖7～圖12所示。
圖7與圖3比較，可看出，本電路啟動(dòng)比較理想。圖8與圖9所指示電壓之和460V即為MOS管的源-漏最大耐壓值uDS，可見此電壓在MOS管的650V耐壓范圍之內(nèi)。圖10為MOS管開關(guān)同步輸入控制電壓，其峰峰值為8．93V，沒有超過IC規(guī)定的過壓保護(hù)檢測(cè)點(diǎn)12V。圖11指示的MOS管導(dǎo)通的最大電流Idp為1．13A，小于MOS管5A的要求。從以上可看出，此電源各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。
3 結(jié)語
仙童(FairChild)KA5Q系列電源模塊，功能實(shí)用，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開發(fā)的準(zhǔn)諧振開關(guān)電源可很好滿足一般家用電子產(chǎn)品要求，本文討論的KA5Q電源模塊及設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)實(shí)踐具有較大的參考價(jià)值。
（轉(zhuǎn)載）
