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FA5310开关电源控制IC及其应用
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1 引言
许多电子系统都需要开关电源。开关电源的电路多种多样，其中已有许多采用控制芯片。控制芯片只要再外接一些器件即可组成开关电源，从而大大简化了电路设计。
FA5310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，有很大的实用价值。FA5310具有以下特点：
可直接驱动功率MOSFET（I0＝±1．5A）；宽工作频率范围（5～600kHz）；具有逐个脉冲过流限制功能；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）；占空比为Dmax＝46％，可用于正激和反激电路。
图1为FA5310的引脚排列图。表1所列为各引脚的功能说明。
2 工作原理
FA5310的工作原理如下。
2．1振荡器
振荡器通过电容充放电产生三角波。CT脚的电压在约3．0V到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：
式中，f的单位为kHz，RT为kΩ，CT的单位为pf。
2．2PWM比较器
PWM比较器有四个输入端（如图2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3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。
2．3CS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。
（1）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启动到输出脉冲变宽30％的时间来估算。软启动时间由下式给出：ts（ms）＝160Cs（μF）
（2）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）
（3）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截止来控制CS脚电压，即可控制IC的导通或关断。
如果三极管导通，CS脚电压降到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。如果三极管截止，Cs又开始充电，IC开始软启动。电源又重新开始工作。
2．4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漏极电流被电阻R2（见图4）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动作，可在IS脚和MOSFET之间接一个RC滤波器。
2．5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误动作。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。
2．6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。
3 应用电路及设计考虑
图5为FA5310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必须根据下式来确定。考虑到电路关断时的电流为400μA（在cc＝9V时）：
R1＜｛VAC（2）1／2／π－9｝／400AC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以上。MOSFET漏极上的RCD电路为复位电路，而源－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高得多时，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。
许多电子系统都需要开关电源。开关电源的电路多种多样，其中已有许多采用控制芯片。控制芯片只要再外接一些器件即可组成开关电源，从而大大简化了电路设计。
FA5310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，有很大的实用价值。FA5310具有以下特点：
可直接驱动功率MOSFET（I0＝±1．5A）；宽工作频率范围（5～600kHz）；具有逐个脉冲过流限制功能；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）；占空比为Dmax＝46％，可用于正激和反激电路。
图1为FA5310的引脚排列图。表1所列为各引脚的功能说明。
2 工作原理
FA5310的工作原理如下。
2．1振荡器
振荡器通过电容充放电产生三角波。CT脚的电压在约3．0V到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：
式中，f的单位为kHz，RT为kΩ，CT的单位为pf。
2．2PWM比较器
PWM比较器有四个输入端（如图2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3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。
2．3CS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。
（1）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启动到输出脉冲变宽30％的时间来估算。软启动时间由下式给出：ts（ms）＝160Cs（μF）
（2）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）
（3）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截止来控制CS脚电压，即可控制IC的导通或关断。
如果三极管导通，CS脚电压降到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。如果三极管截止，Cs又开始充电，IC开始软启动。电源又重新开始工作。
2．4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漏极电流被电阻R2（见图4）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动作，可在IS脚和MOSFET之间接一个RC滤波器。
2．5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误动作。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。
2．6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。
3 应用电路及设计考虑
图5为FA5310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必须根据下式来确定。考虑到电路关断时的电流为400μA（在cc＝9V时）：
R1＜｛VAC（2）1／2／π－9｝／400AC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以上。MOSFET漏极上的RCD电路为复位电路，而源－漏极间的RC电路用来抑制浪涌电压。
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