开关电源控制芯片M51995及其应用

开关电源控制芯片M51995及其应用    

开关电源初级PWM控制芯片。本文详细描述它的工作原理并给出典型应用。

Abstract: M51995A is a off－ line SMPS's primary PWM control chip of specific design for AC／ DC

Conversion by MITSUBISHI ． This paper described in detail its work principle and showed typical applicaTIons.

关键词：振荡PWM比较锁存电流限制断续

Keywords:OscillaTIon， PWM comparison lock， Current limit， DisconTInuity

1引言

　　M51995A是一专门为AC/DC变换设计的离线式开关电源初级PWM控制芯片。该芯片内置大容量图腾柱电路，可以直接驱动MOSFET。M51995A不仅具有高频振荡和快速输出能力，而且具有快速响应的电流限制功能。它的另一大特点是过流时采用断续方式工作。芯片的主要特征如下：

　　?500kHz工作频率；

　　?输出电流达±2A，输出上升时间60μs，下降时间40μs；

　　?起动电流小，典型值为90μA；

?起动电压和关闭电压间压差大：起动电压为16V，关闭电压为10V；

?改进图腾柱输出方法，穿透电流小；

　　?过流保护采用断续方式工作；

?用逐脉冲方法快速限制电流；

　　?欠压、过压锁存电路。

2管脚排列及说明

　　管脚排列见图1。

各引脚定义如下：

　　COLLECTOR：图腾柱输出集电极

　　Vout：图腾柱输出

　　EMITTER：图腾柱输出发射极

　　VF：VF控制端

　　ON/OFF：工作使能端

　　OVP：过压保护端

　　DET：检测端

　　F/B：电压反馈端

　　T－ON：计时电阻ON端

　　CF：计时电容端

　　T－OFF：计时电阻OFF端

　　CT：断续方式工作检测电容端

　　GND：芯片地

　　CLM－：负压过流检测端

　　CLM＋：正压过流检测端

图1M51995AP管脚排列

图2M51995A的原理框图

　　Vcc：芯片供电端

3工作原理

　　M51995A的原理框图如图2所示。它主要由振荡器、反馈电压检测变换、PWM比较、PWM锁存、过压锁存、欠压锁存、断续工作电路、断续方式和振荡控制电路、驱动输出及内部基准电压等部分组成。

　　（1）振荡器

　　振荡电路的等效电路如图3所示。CF电压由于恒流源的充放电而呈三角波。在正常工作时

图3振荡器等效电路

充电电流为I1=UT－on/Ron

放电电流为I2=UT－off/Roff＋UT－on/16Ron

振荡周期为

T=(UOSCH－UOSCL)CF/(I1＋I2)

其中（UOSCH－UOSCL）为三角波的峰峰值，UOSCH≈4.4V，UOSCL≈2.0V，UT－on≈4.5V，UT－Off≈3.5V。芯片输出最大脉宽为三角波的上升时间，而三角波的下降时间则为死区时间。当发生过流时，断续方式和振荡控制电路开始工作，此时T－off端电压依赖于VF端电压，振荡器的充电电流同正常工作时一样，

充电电流为I1=UT－on/Ron

放电电流为

I2'=(UVF－UVFO)/Roff＋UT－on/16Ron

振荡周期为

T=(UOSCH－UOSCL)CF/（I1＋I2）

其中UVF为VF端电压，UVFO≈0.4V，

图4正激式变换器中VF端的应用

如果UVF－UVFO<0， 则 UVF－ UVFO="0；"

如果UVF－UVFO>UT－Off≈3.5V，则UVF－UVFO=UT－Off。所以当UVF>3.5V时振荡器的工作和没有发生过流时一样。通常使VF端电压正比于变换器的输出电压，这样当发生过流而使输出电压变低时死区时间也相应变长，从而进一步降低占空比。图4显示了正激式变换器中VF端的应用，这里RC构成低通滤波器；而在反激式变换器中可以对偏置绕组电压进行分压后接到VF端，因为偏置绕组电压正比于变换器的输出电压。

　　（2）PWM比较锁存部分

　　图5为PWM比较和锁存部分的电路图，由图可知A点电位为

UA=5.8－15.2k×(500·IF/B/3k)

A点电位与振荡三角波比较后锁存，并与从振荡器输出的控制信号逻辑组合后输出。各点波形如图6所示。故B、C、D、E各点的逻辑关系为

B=D·E，C=B·E=D·E　　（3）输出电路

　　芯片的输出为图腾柱电路，以驱动MOS管。传统的图腾柱电路具有高穿透电流的缺点，可达1A，这在高频应用时将引起较大的ICC电流和不可避免的IC受热及噪声电压。M51995A使用了改进的图腾柱电路，在不恶化性能的条件下穿透电流约为100mA。

　　（4）电流限制电路

　　在图6中，如果A点波形和三角波的上升沿相交之前电流限制端CLM＋或CLM－的电压超过阈值（＋200mV/－200mV），过流信号将使输出截止并且这个截止状态持续到下一个周期。实际上该信号控制

图5PWM比较和锁存

图6PWM比较和锁存部分各点波形

的状态在接下来的死区时间里被复位，所以电流限制电路在每个周期都可以起作用，被称为“逐脉冲电流限制”。为了消除寄生电容引起的噪声电压的影响，需要使用RC组成的低通滤波器，如图7所示。

(a)CLM＋的情况(b)CLM－的情况
图7CLM＋/CLM－的连接

图8断续方式和振荡控制电路时序

图9断续方式工作电路图

　　当内部限流电路工作时，断续方式和振荡控制电路开始工作，即输出高电平。图8为时序图，在断续方式和振荡控制电路输出为高电平并且VF端电压下降到低于约3V的临界值时，断续方式电路开始工作。图9为断续方式电路的原理图。当VF端电压高于UTHTIME时，晶体管V导通，CT端电位接近于GND；当VF端电压低于UTHTIME时，晶体管V截止，CT将被充放电。SWA闭合而SWB断开时，CT被120μA的电流充电，SWB闭合而SBA断开时，CT被15μA的电流放电，所以CT端呈三角波。只有在CT端电压上升期才会产生输出脉冲。显然CT端的三角波频率要远远低于开关振荡频率。这样功率电路中包括次级整流二极管在内的元器件可被有效保护，以防过流引起的过热。当断续方式不用时，建议CT端接地。

　　（5）辅助功能部分

　　DET端可被用来控制输出电压。DET端和F/B端之间的电路与并联型可调电压基准芯片431非常相似，当DET端电压高于2.5V时运放具有吸收电流能力，而当DET端电压低于2.5V时输出为高阻。DET端和F/B端相互具有反相特性，所以建议在它们之间串接电阻和电容以利相位补偿。

　　OVP和ON/OFF端子可方便地用来实现过压保护和开关芯片工作。两者都具有迟滞特性。在过压保护及OFF状态下，芯片的工作电流均由起动电路提供。ON/OFF端为低电平时芯片才工作，阈值电压为2.4V。当OVP端高于750mV的阈值电压时芯片进入过压保护状态（OVP）。为了复位OVP状态，须使OVP端电压低于阈值电压或使VCC低于OVP复位供电电压（典型值为9V）。

图10M51995AP在正激式变换器的中的应用

4典型应用

图10和图11分别为M51995AP在正激式和反激

图11M51995AP在反激式变换器的中的应用

式变换器中的应用。在正激式变换器中，交流输入经全波整流和平滑滤波后进行开关变换。次级为多组输出，而稳压控制则是对主输出来进行的。采样和误差放大采用431用基准芯片和光耦以提高输出精度和隔离初级和次级电压。过流检测使用电流检测变压器。电源可由外部信号进行开关。Ron推荐为10k到75k，Roff推荐为2k到30k；电源电压推荐为12V到17V；流过R1起动电阻的起动电流推荐300μA以上以稳定起动。