開關電源控制芯片M51995及其應用

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摘要：M51995A是MITSUBISHI公司推出的專門為AC/DC變換而設計的離線式開關電源初級PWM控制芯片。本文詳細描述它的工作原理并給出典型應用。

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.

關鍵詞：振蕩PWM比較鎖存電流限制斷續

Keywords:Oscillation， PWM comparison lock， Current limit， Discontinuity

1引言

　　M51995A是一專門為AC/DC變換設計的離線式開關電源初級PWM控制芯片。該芯片內置大容量圖騰柱電路，可以直接驅動MOSFET。M51995A不僅具有高頻振蕩和快速輸出能力，而且具有快速響應的電流限制功能。它的另一大特點是過流時采用斷續方式工作。芯片的主要特征如下：

　　?500kHz工作頻率；

　　?輸出電流達±2A，輸出上升時間60μs，下降時間40μs；

　　?起動電流小，典型值為90μA；

?起動電壓和關閉電壓間壓差大：起動電壓為16V，關閉電壓為10V；

?改進圖騰柱輸出方法，穿透電流小；

　　?過流保護采用斷續方式工作；

?用逐脈沖方法快速限制電流；

　　?欠壓、過壓鎖存電路。

2管腳排列及說明

　　管腳排列見圖1。

各引腳定義如下：

　　COLLECTOR：圖騰柱輸出集電極

　　Vout：圖騰柱輸出

　　EMITTER：圖騰柱輸出發射極

　　VF：VF控制端

　　ON/OFF：工作使能端

　　OVP：過壓保護端

　　DET：檢測端

　　F/B：電壓反饋端

　　T－ON：計時電阻ON端

　　CF：計時電容端

　　T－OFF：計時電阻OFF端

　　CT：斷續方式工作檢測電容端

　　GND：芯片地

　　CLM－：負壓過流檢測端

　　CLM＋：正壓過流檢測端

圖1M51995AP管腳排列

圖2M51995A的原理框圖

　　Vcc：芯片供電端

3工作原理

　　M51995A的原理框圖如圖2所示。它主要由振蕩器、反饋電壓檢測變換、PWM比較、PWM鎖存、過壓鎖存、欠壓鎖存、斷續工作電路、斷續方式和振蕩控制電路、驅動輸出及內部基準電壓等部分組成。

　　（1）振蕩器

　　振蕩電路的等效電路如圖3所示。CF電壓由于恒流源的充放電而呈三角波。在正常工作時

圖3振蕩器等效電路

充電電流為I1=UT－on/Ron

放電電流為I2=UT－off/Roff＋UT－on/16Ron

振蕩周期為

T=(UOSCH－UOSCL)CF/(I1＋I2)

其中（UOSCH－UOSCL）為三角波的峰峰值，UOSCH≈4.4V，UOSCL≈2.0V，UT－on≈4.5V，UT－Off≈3.5V。芯片輸出最大脈寬為三角波的上升時間，而三角波的下降時間則為死區時間。當發生過流時，斷續方式和振蕩控制電路開始工作，此時T－off端電壓依賴于VF端電壓，振蕩器的充電電流同正常工作時一樣，

充電電流為I1=UT－on/Ron

放電電流為

I2'=(UVF－UVFO)/Roff＋UT－on/16Ron

振蕩周期為

T=(UOSCH－UOSCL)CF/（I1＋I2）

其中UVF為VF端電壓，UVFO≈0.4V，

圖4正激式變換器中VF端的應用

如果UVF－UVFO<0， 則 UVF－ UVFO="0；"

如果UVF－UVFO>UT－Off≈3.5V，則UVF－UVFO=UT－Off。所以當UVF>3.5V時振蕩器的工作和沒有發生過流時一樣。通常使VF端電壓正比于變換器的輸出電壓，這樣當發生過流而使輸出電壓變低時死區時間也相應變長，從而進一步降低占空比。圖4顯示了正激式變換器中VF端的應用，這里RC構成低通濾波器；而在反激式變換器中可以對偏置繞組電壓進行分壓后接到VF端，因為偏置繞組電壓正比于變換器的輸出電壓。

　　（2）PWM比較鎖存部分

　　圖5為PWM比較和鎖存部分的電路圖，由圖可知A點電位為

UA=5.8－15.2k×(500·IF/B/3k)

A點電位與振蕩三角波比較后鎖存，并與從振蕩器輸出的控制信號邏輯組合后輸出。各點波形如圖6所示。故B、C、D、E各點的邏輯關系為

B=D·E，C=B·E=D·E　　（3）輸出電路

　　芯片的輸出為圖騰柱電路，以驅動MOS管。傳統的圖騰柱電路具有高穿透電流的缺點，可達1A，這在高頻應用時將引起較大的ICC電流和不可避免的IC受熱及噪聲電壓。M51995A使用了改進的圖騰柱電路，在不惡化性能的條件下穿透電流約為100mA。

　　（4）電流限制電路

　　在圖6中，如果A點波形和三角波的上升沿相交之前電流限制端CLM＋或CLM－的電壓超過閾值（＋200mV/－200mV），過流信號將使輸出截止并且這個截止狀態持續到下一個周期。實際上該信號控制

圖5PWM比較和鎖存

圖6PWM比較和鎖存部分各點波形

的狀態在接下來的死區時間里被復位，所以電流限制電路在每個周期都可以起作用，被稱為“逐脈沖電流限制”。為了消除寄生電容引起的噪聲電壓的影響，需要使用RC組成的低通濾波器，如圖7所示。

(a)CLM＋的情況(b)CLM－的情況
圖7CLM＋/CLM－的連接

圖8斷續方式和振蕩控制電路時序

圖9斷續方式工作電路圖

　　當內部限流電路工作時，斷續方式和振蕩控制電路開始工作，即輸出高電平。圖8為時序圖，在斷續方式和振蕩控制電路輸出為高電平并且VF端電壓下降到低于約3V的臨界值時，斷續方式電路開始工作。圖9為斷續方式電路的原理圖。當VF端電壓高于UTHTIME時，晶體管V導通，CT端電位接近于GND；當VF端電壓低于UTHTIME時，晶體管V截止，CT將被充放電。SWA閉合而SWB斷開時，CT被120μA的電流充電，SWB閉合而SBA斷開時，CT被15μA的電流放電，所以CT端呈三角波。只有在CT端電壓上升期才會產生輸出脈沖。顯然CT端的三角波頻率要遠遠低于開關振蕩頻率。這樣功率電路中包括次級整流二極管在內的元器件可被有效保護，以防過流引起的過熱。當斷續方式不用時，建議CT端接地。

　　（5）輔助功能部分

　　DET端可被用來控制輸出電壓。DET端和F/B端之間的電路與并聯型可調電壓基準芯片431非常相似，當DET端電壓高于2.5V時運放具有吸收電流能力，而當DET端電壓低于2.5V時輸出為高阻。DET端和F/B端相互具有反相特性，所以建議在它們之間串接電阻和電容以利相位補償。

　　OVP和ON/OFF端子可方便地用來實現過壓保護和開關芯片工作。兩者都具有遲滯特性。在過壓保護及OFF狀態下，芯片的工作電流均由起動電路提供。ON/OFF端為低電平時芯片才工作，閾值電壓為2.4V。當OVP端高于750mV的閾值電壓時芯片進入過壓保護狀態（OVP）。為了復位OVP狀態，須使OVP端電壓低于閾值電壓或使VCC低于OVP復位供電電壓（典型值為9V）。

圖10M51995AP在正激式變換器的中的應用

4典型應用

圖10和圖11分別為M51995AP在正激式和反激

圖11M51995AP在反激式變換器的中的應用

式變換器中的應用。在正激式變換器中，交流輸入經全波整流和平滑濾波后進行開關變換。次級為多組輸出，而穩壓控制則是對主輸出來進行的。采樣和誤差放大采用431用基準芯片和光耦以提高輸出精度和隔離初級和次級電壓。過流檢測使用電流檢測變壓器。電源可由外部信號進行開關。Ron推薦為10k到75k，Roff推薦為2k到30k；電源電壓推薦為12V到17V；流過R1起動電阻的起動電流推薦300μA以上以穩定起動。