仙童KA5Q系列準諧振開關電源的開發應用

0 引言
準諧振開關電源廣泛應用于消費電子、IT等產業。仙童(Fairchild)的KA5Q系列開關電源模塊在彩電和LCD顯示器等家用電子產品中應用比較多，以KA5Q電源模塊為核心開發的準諧振開關電源，外圍電路簡單，電源采用副邊輸出采樣和光耦反饋穩壓，電路具有準諧振、高效率、寬輸入范圍、良好的輸入電壓調整率和負載輸出特性，還有過流、過壓及熱保護等。

1 KA5Q系列電源模塊電路架構分析
圖1所示是KA5Q電源模塊的內部原理框圖，以下結合圖2所示準諧振開關電源基本電路架構，對應用KA5Q開發的準諧振開關電源的功能進行簡要分析。

KA5Q的腳1為電源開關MOS管的漏級D，是電源輸入電流端口，該端口特性決定了電源系統的負載能力。準諧振電源主要由該腳與開關變壓器初級主繞組以及外接諧振電容C4組成。
KA5Q的腳2為整個電源模塊的地，在設計完整的開關電源系統中，該地是開關變壓器原邊熱地。
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以啟動開關IC，KA5Q系列的啟動電流為50μA，在交流輸入電壓半個周期內，R1對地峰值電壓VR1≈Vd(整流電壓)，VR1經過R1向C2充電，使VCC腳上電壓近似線性上升到IC啟動閾值電壓15V時，控制電路開始啟動。為保證電源啟動正常，電容R1、C2充電時間必須選取合適，必須保證在輔助繞組通過D1提供開關電壓前，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)。電路開始振蕩產生開關控制信號后，由開關變壓器T1的輔助繞組Ns產生頻率幾十kHz的開關脈沖信號，通過D1、C2、D3整流濾波穩壓產生IC正常工作電壓。同時必須注意Ns匝數，經整流濾波后C2上電壓在IC正常工作電壓要求范圍之內，過高則過壓保護電路起作用，偏低時則欠壓保護電路起作用，此電壓應根據IC規定設計。一般對于寬輸入電源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，再通過電源模塊內部控制，可達到穩定輸出電壓的目的。圖4中R1、R2設置誤差放大參考電壓為2．5V，CB是過負載情況下，控制電源延遲關斷時間的反饋延遲控制電容，通過該電容一般將電源關斷延遲時間控制在20～50ms范圍內。

KA5Q的腳5為同步控制腳，圖2所示，開關變壓器T1輔助繞組Ns的感應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，當同步腳輸入電平高于4．6V時，電源模塊內部控制電平同步轉變為高，當同步腳輸入電平低于2．6V時，電源模塊內部控制電平同步轉變為低，同時控制MOS管導通，因此通過同步控制電路可控制開關管在準諧振電容C4和開關變壓器T1原邊NP諧振的最低點導通(如圖6中uDS的諧振延時導通點)。G3的大小決定了準諧振延時導通時間tr一般要求tr與式(2)計算所得的初級諧振周期的一半tF相等為最佳。準諧振延時時間是C3、R3的一階零輸入響應曲線，因此根據式(1)、式(2)、式(3)以及tr等于tF可推導出C3的大小。

同步控制腳輸入電平高于12V時，電源會進入過壓保護狀態，因此，一般通過R2、R3分壓將輔助電源繞組提供的高電平設定在9V左右比較合適。

2 應用
以下利用KA5Q電源模塊設計一準諧振開關電源，電路參數是在各極限條件下計算得到最佳參數，數據是在標準輸入輸出條件下得到。
2．1 相關電路參數的選擇
設計的最大負載功率Po為72W，電源效率η估計為80％，由式(4)可得電源最大輸入功率Pin：

計算次級反射電壓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與開關振蕩電壓之和(稱為肩電壓，按照以上計算此處約為450V)必須小于MOS管的最大漏源電壓值(Vds_max)，如圖5所示，因此當肩電壓偏大時，可通過減小Vf達到要求，一般要減小Vf可通過減小Dmax實現。
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是開關管可靠工作的重要保證，一般開關電流為三角波，其值可由式(6)計算得到，即

為滿足由以上計算參數，可選擇KA5Q系列開關電源模塊中的KA5Q07565RT，其關鍵參數如下：
(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后，根據KA5Q電源模塊的規格書以及應用報告，即可設計開關變壓器，本文對此不作介紹，對于開關變壓器的設計、制造可參考相關文獻。
2．2 實驗仿真測試結果
仿真測試條件：
(1)交流輸入 220V，50Hz：
(2)負載1 UO1=12V，IO1=1．7A；
(3)負載2 UO2=12V，IO2=1．7A。
由于輸入交流電壓為220V，負載在考慮余量情況，設定為最大輸出的60％，因此實際測試波形的部分參數(肩電壓、Idps、Vin等)是按照實際輸入條件得到的，其與根據相關公式計算得到的值有部分差異。實測波形和部分關鍵參數如圖7～圖12所示。

圖7與圖3比較，可看出，本電路啟動比較理想。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。圖10為MOS管開關同步輸入控制電壓，其峰峰值為8．93V，沒有超過IC規定的過壓保護檢測點12V。圖11指示的MOS管導通的最大電流Idp為1．13A，小于MOS管5A的要求。從以上可看出，此電源各項指標均符合設計要求。

3 結語
仙童(FairChild)KA5Q系列電源模塊，功能實用，外圍電路設計簡單，開發的準諧振開關電源可很好滿足一般家用電子產品要求，本文討論的KA5Q電源模塊及設計實例，對工程技術人員的設計實踐具有較大的參考價值。