FA5310/FA5311开关电源控制IC及其应用

    摘要：FA5310/FA5311是日本富士电机公司推出的新型开电源控制IC，它具有多种保护功能，且外接电路简单，应用方便。文中介绍了FA5310/FA5311开关电源控制IC的性能、特点及工作原理。并给出了它的一种具体应用电路。

    关键词：FA5310  FA5311  开关电源  场效应管

1 概述

    许多电子系统都需要开关电源，开关电源的电路多种多样，现在已有许多控制芯片得到应用。控制芯片的广泛应用大大简化了电路设计，它们只要再外接一些器件即可组成开关电源。FA5310/FA5311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，具有很大的实用价值。

2 特点

    FA5310/FA5311具有如下特点：

    ●可直接驱动功率MOSFET（Io=±1.5A）；

    ●宽工作频率范围（5~600kHz）；

    ●具有逐脉冲过流限制功能；

    ●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）；

    ●FA5310的占空比为Dmax=46%，可用于正激和反激电路；

    FA5311的占空比为Dmax=70%，用于激电路；

3 引脚排列及功能

    图1为FA5310/FA5311的引脚排列图。它采用8脚DIP和SOP两种封装形式。表1所列为各引脚的功能说明。

表1 引脚功能

4 工作原理

    图2为FA5310/FA5311的内部原理图。工作原理如下：

4.1 振荡器

    振荡器通过电容充放电产生三角度，CT脚的电压在约3.0V至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：

    f=106/4RTCT

    式中，f的单位为kHz，RT为kΩ，CT的单位为pF。

4.2 PWM比较器

    PWM比较器有四个输入端（如图3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4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。

4.3 CS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。

    a.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启动到输出脉宽变宽30%的时间来估算。软启动时间由下式给出：

    ts(ms)=160Cs(μF)

    b.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)

    c.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载止来控制CS脚电压，即可控制IC的导通或关断。

    如果三极管导通，CS脚电压降至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。如果三极管载止，Cs又开始充电，IC开始软启动。电源又重新开始工作。

4.4 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的漏极电流被电阻R2（见图5）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误动作，可在IS脚和MOSFET之间接一个RC滤波器。

4.5 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误协作。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。

4.6 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。

5 应用电路及设计考虑

    图5为FA5310/5311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必须根据式（4）来确定。考虑到电路关断时的电流为400μA（在Vcc=9V时）：

    R1<[VAC（2）1/2/π-9]/400

    VAC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。又可省掉辅助电源。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而发——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高的多时，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。