仙童KA5Q系列准谐振开关电源的开发应用

0 引言
准谐振开关电源广泛应用于消费电子、IT等产业。仙童(Fairchild)的KA5Q系列开关电源模块在彩电和LCD显示器等家用电子产品中应用比较多，以KA5Q电源模块为核心开发的准谐振开关电源，外围电路简单，电源采用副边输出采样和光耦反馈稳压，电路具有准谐振、高效率、宽输入范围、良好的输入电压调整率和负载输出特性，还有过流、过压及热保护等。

1 KA5Q系列电源模块电路架构分析
图1所示是KA5Q电源模块的内部原理框图，以下结合图2所示准谐振开关电源基本电路架构，对应用KA5Q开发的准谐振开关电源的功能进行简要分析。

KA5Q的脚1为电源开关MOS管的漏级D，是电源输入电流端口，该端口特性决定了电源系统的负载能力。准谐振电源主要由该脚与开关变压器初级主绕组以及外接谐振电容C4组成。
KA5Q的脚2为整个电源模块的地，在设计完整的开关电源系统中，该地是开关变压器原边热地。
KA5Q的脚3为电源模块的供电端，一般正常供电电压为18V。图2所示电源，半波整流电压通过R1、C2供给VCC以启动开关IC，KA5Q系列的启动电流为50μA，在交流输入电压半个周期内，R1对地峰值电压VR1≈Vd(整流电压)，VR1经过R1向C2充电，使VCC脚上电压近似线性上升到IC启动阈值电压15V时，控制电路开始启动。为保证电源启动正常，电容R1、C2充电时间必须选取合适，必须保证在辅助绕组通过D1提供开关电压前，R1提供给C2的电压不下降至IC停振阈值电压9V以下(如图3所示)。电路开始振荡产生开关控制信号后，由开关变压器T1的辅助绕组Ns产生频率几十kHz的开关脉冲信号，通过D1、C2、D3整流滤波稳压产生IC正常工作电压。同时必须注意Ns匝数，经整流滤波后C2上电压在IC正常工作电压要求范围之内，过高则过压保护电路起作用，偏低时则欠压保护电路起作用，此电压应根据IC规定设计。一般对于宽输入电源AC 90～270V电压，C2取值47~100μF，R1取47～68kΩ是合适的，对于窄输入电源AC 200V，R1可取82～300kΩ。

KA5Q的脚4为反馈控制脚，如图4所示，通过光耦将副边输出电压VO1采样反馈给输入脚，再通过电源模块内部控制，可达到稳定输出电压的目的。图4中R1、R2设置误差放大参考电压为2．5V，CB是过负载情况下，控制电源延迟关断时间的反馈延迟控制电容，通过该电容一般将电源关断延迟时间控制在20～50ms范围内。

KA5Q的脚5为同步控制脚，图2所示，开关变压器T1辅助绕组Ns的感应电压通过同步控制电路的D2、R2、R3、C3输入同步控制SYNC脚。如图5所示，当同步脚输入电平高于4．6V时，电源模块内部控制电平同步转变为高，当同步脚输入电平低于2．6V时，电源模块内部控制电平同步转变为低，同时控制MOS管导通，因此通过同步控制电路可控制开关管在准谐振电容C4和开关变压器T1原边NP谐振的最低点导通(如图6中uDS的谐振延时导通点)。G3的大小决定了准谐振延时导通时间tr一般要求tr与式(2)计算所得的初级谐振周期的一半tF相等为最佳。准谐振延时时间是C3、R3的一阶零输入响应曲线，因此根据式(1)、式(2)、式(3)以及tr等于tF可推导出C3的大小。

同步控制脚输入电平高于12V时，电源会进入过压保护状态，因此，一般通过R2、R3分压将辅助电源绕组提供的高电平设定在9V左右比较合适。

2 应用
以下利用KA5Q电源模块设计一准谐振开关电源，电路参数是在各极限条件下计算得到最佳参数，数据是在标准输入输出条件下得到。
2．1 相关电路参数的选择
设计的最大负载功率Po为72W，电源效率η估计为80％，由式(4)可得电源最大输入功率Pin：

计算次级反射电压Vf，首先确定Dmax为0．3，并要求输入最小交流电压150V，最大输入交流电压260V，则交流整流滤波后的最小和最大直流电压约为190V和368V，由式(5)可得副边反射电压为

式中：Vin_min是交流整流滤波后的最小直流电压。
由于最大直流电压Vin_max、Vf与开关振荡电压之和(称为肩电压，按照以上计算此处约为450V)必须小于MOS管的最大漏源电压值(Vds_max)，如图5所示，因此当肩电压偏大时，可通过减小Vf达到要求，一般要减小Vf可通过减小Dmax实现。
Iin是MOS管的平均电流，可以由式(4)推出，确定合适的MOS管峰值电流Idp是开关管可靠工作的重要保证，一般开关电流为三角波，其值可由式(6)计算得到，即

为满足由以上计算参数，可选择KA5Q系列开关电源模块中的KA5Q07565RT，其关键参数如下：
(1)MOS管最大工作电流 典型值-5．0A，最小值-4．4A，最大值-6A；
(2)MOS管D-S最大耐压 650V；
(3)最大输出功率 130W。
在确定了以上基本参数后，根据KA5Q电源模块的规格书以及应用报告，即可设计开关变压器，本文对此不作介绍，对于开关变压器的设计、制造可参考相关文献。
2．2 实验仿真测试结果
仿真测试条件：
(1)交流输入 220V，50Hz：
(2)负载1 UO1=12V，IO1=1．7A；
(3)负载2 UO2=12V，IO2=1．7A。
由于输入交流电压为220V，负载在考虑余量情况，设定为最大输出的60％，因此实际测试波形的部分参数(肩电压、Idps、Vin等)是按照实际输入条件得到的，其与根据相关公式计算得到的值有部分差异。实测波形和部分关键参数如图7～图12所示。

图7与图3比较，可看出，本电路启动比较理想。图8与图9所指示电压之和460V即为MOS管的源-漏最大耐压值uDS，可见此电压在MOS管的650V耐压范围之内。图10为MOS管开关同步输入控制电压，其峰峰值为8．93V，没有超过IC规定的过压保护检测点12V。图11指示的MOS管导通的最大电流Idp为1．13A，小于MOS管5A的要求。从以上可看出，此电源各项指标均符合设计要求。

3 结语
仙童(FairChild)KA5Q系列电源模块，功能实用，外围电路设计简单，开发的准谐振开关电源可很好满足一般家用电子产品要求，本文讨论的KA5Q电源模块及设计实例，对工程技术人员的设计实践具有较大的参考价值。