开关电源控制芯片M51995及其应用
开关电源控制芯片m51995及其应用
摘要：m51995a是mitsubishi公司推出的专门为ac/dc变换而设计的离线式开关电源初级pwm控制芯片。本文详细描述它的工作原理并给出典型应用。
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.
关键词：振荡pwm比较锁存电流限制断续
keywords:oscillation， pwm comparison lock， current limit， discontinuity
1引言
m51995a是一专门为ac/dc变换设计的离线式开关电源初级pwm控制芯片。该芯片内置大容量图腾柱电路，可以直接驱动mosfet。m51995a不仅具有高频振荡和快速输出能力，而且具有快速响应的电流限制功能。它的另一大特点是过流时采用断续方式工作。芯片的主要特征如下：
?500khz工作频率；
?输出电流达±2a，输出上升时间60μs，下降时间40μs；
?起动电流小，典型值为90μa；
?起动电压和关闭电压间压差大：起动电压为16v，关闭电压为10v；
?改进图腾柱输出方法，穿透电流小；
?过流保护采用断续方式工作；
?用逐脉冲方法快速限制电流；
?欠压、过压锁存电路。
2管脚排列及说明
管脚排列见图1。
各引脚定义如下：
collector：图腾柱输出集电极
vout：图腾柱输出
emitter：图腾柱输出发射极
vf：vf控制端
on/off：工作使能端
ovp：过压保护端
det：检测端
f/b：电压反馈端
t－on：计时电阻on端
cf：计时电容端
t－off：计时电阻off端
ct：断续方式工作检测电容端
gnd：芯片地
clm－：负压过流检测端
clm＋：正压过流检测端
图1m51995ap管脚排列
图2m51995a的原理框图
vcc：芯片供电端
3工作原理
m51995a的原理框图如图2所示。它主要由振荡器、反馈电压检测变换、pwm比较、pwm锁存、过压锁存、欠压锁存、断续工作电路、断续方式和振荡控制电路、驱动输出及内部基准电压等部分组成。
（1）振荡器
振荡电路的等效电路如图3所示。cf电压由于恒流源的充放电而呈三角波。在正常工作时
图3振荡器等效电路
充电电流为i1=ut－on/ron
放电电流为i2=ut－off/roff＋ut－on/16ron
振荡周期为
t=(uosch－uoscl)cf/(i1＋i2)
其中（uosch－uoscl）为三角波的峰峰值，uosch≈4.4v，uoscl≈2.0v，ut－on≈4.5v，ut－off≈3.5v。芯片输出最大脉宽为三角波的上升时间，而三角波的下降时间则为死区时间。当发生过流时，断续方式和振荡控制电路开始工作，此时t－off端电压依赖于vf端电压，振荡器的充电电流同正常工作时一样，
充电电流为i1=ut－on/ron
放电电流为
i2'=(uvf－uvfo)/roff＋ut－on/16ron
振荡周期为
t=(uosch－uoscl)cf/（i1＋i2）
其中uvf为vf端电压，uvfo≈0.4v，
图4正激式变换器中vf端的应用
如果uvf－uvfout－off≈3.5v，则uvf－uvfo=ut－off。所以当uvf>3.5v时振荡器的工作和没有发生过流时一样。通常使vf端电压正比于变换器的输出电压，这样当发生过流而使输出电压变低时死区时间也相应变长，从而进一步降低占空比。图4显示了正激式变换器中vf端的应用，这里rc构成低通滤波器；而在反激式变换器中可以对偏置绕组电压进行分压后接到vf端，因为偏置绕组电压正比于变换器的输出电压。
（2）pwm比较锁存部分
图5为pwm比较和锁存部分的电路图，由图可知a点电位为
ua=5.8－15.2k×(500·if/b/3k)
a点电位与振荡三角波比较后锁存，并与从振荡器输出的控制信号逻辑组合后输出。各点波形如图6所示。故b、c、d、e各点的逻辑关系为
b=d·e，c=b·e=d·e（3）输出电路
芯片的输出为图腾柱电路，以驱动mos管。传统的图腾柱电路具有高穿透电流的缺点，可达1a，这在高频应用时将引起较大的icc电流和不可避免的ic受热及噪声电压。m51995a使用了改进的图腾柱电路，在不恶化性能的条件下穿透电流约为100ma。
（4）电流限制电路
在图6中，如果a点波形和三角波的上升沿相交之前电流限制端clm＋或clm－的电压超过阈值（＋200mv/－200mv），过流信号将使输出截止并且这个截止状态持续到下一个周期。实际上该信号控制
图5pwm比较和锁存
图6pwm比较和锁存部分各点波形
的状态在接下来的死区时间里被复位，所以电流限制电路在每个周期都可以起作用，被称为“逐脉冲电流限制”。为了消除寄生电容引起的噪声电压的影响，需要使用rc组成的低通滤波器，如图7所示。
(a)clm＋的情况(b)clm－的情况
图7clm＋/clm－的连接
图8断续方式和振荡控制电路时序
图9断续方式工作电路图
当内部限流电路工作时，断续方式和振荡控制电路开始工作，即输出高电平。图8为时序图，在断续方式和振荡控制电路输出为高电平并且vf端电压下降到低于约3v的临界值时，断续方式电路开始工作。图9为断续方式电路的原理图。当vf端电压高于uthtime时，晶体管v导通，ct端电位接近于gnd；当vf端电压低于uthtime时，晶体管v截止，ct将被充放电。swa闭合而swb断开时，ct被120μa的电流充电，swb闭合而sba断开时，ct被15μa的电流放电，所以ct端呈三角波。只有在ct端电压上升期才会产生输出脉冲。显然ct端的三角波频率要远远低于开关振荡频率。这样功率电路中包括次级整流二极管在内的元器件可被有效保护，以防过流引起的过热。当断续方式不用时，建议ct端接地。
（5）辅助功能部分
det端可被用来控制输出电压。det端和f/b端之间的电路与并联型可调电压基准芯片431非常相似，当det端电压高于2.5v时运放具有吸收电流能力，而当det端电压低于2.5v时输出为高阻。det端和f/b端相互具有反相特性，所以建议在它们之间串接电阻和电容以利相位补偿。
ovp和on/off端子可方便地用来实现过压保护和开关芯片工作。两者都具有迟滞特性。在过压保护及off状态下，芯片的工作电流均由起动电路提供。on/off端为低电平时芯片才工作，阈值电压为2.4v。当ovp端高于750mv的阈值电压时芯片进入过压保护状态（ovp）。为了复位ovp状态，须使ovp端电压低于阈值电压或使vcc低于ovp复位供电电压（典型值为9v）。
图10m51995ap在正激式变换器的中的应用
4典型应用
图10和图11分别为m51995ap在正激式和反激
图11m51995ap在反激式变换器的中的应用
式变换器中的应用。在正激式变换器中，交流输入经全波整流和平滑滤波后进行开关变换。次级为多组输出，而稳压控制则是对主输出来进行的。采样和误差放大采用431用基准芯片和光耦以提高输出精度和隔离初级和次级电压。过流检测使用电流检测变压器。电源可由外部信号进行开关。ron推荐为10k到75k，roff推荐为2k到30k；电源电压推荐为12v到17v；流过r1起动电阻的起动电流推荐300μa以上以稳定起动。
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keywords:oscillation， pwm comparison lock， current limit， discontinuity
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?500khz工作频率；
?输出电流达±2a，输出上升时间60μs，下降时间40μs；
?起动电流小，典型值为90μa；
?起动电压和关闭电压间压差大：起动电压为16v，关闭电压为10v；
?改进图腾柱输出方法，穿透电流小；
?过流保护采用断续方式工作；
?用逐脉冲方法快速限制电流；
?欠压、过压锁存电路。
2管脚排列及说明
管脚排列见图1。
各引脚定义如下：
collector：图腾柱输出集电极
vout：图腾柱输出
emitter：图腾柱输出发射极
vf：vf控制端
on/off：工作使能端
ovp：过压保护端
det：检测端
f/b：电压反馈端
t－on：计时电阻on端
cf：计时电容端
t－off：计时电阻off端
ct：断续方式工作检测电容端
gnd：芯片地
clm－：负压过流检测端
clm＋：正压过流检测端
图1m51995ap管脚排列
图2m51995a的原理框图
vcc：芯片供电端
3工作原理
m51995a的原理框图如图2所示。它主要由振荡器、反馈电压检测变换、pwm比较、pwm锁存、过压锁存、欠压锁存、断续工作电路、断续方式和振荡控制电路、驱动输出及内部基准电压等部分组成。
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图3振荡器等效电路
充电电流为i1=ut－on/ron
放电电流为i2=ut－off/roff＋ut－on/16ron
振荡周期为
t=(uosch－uoscl)cf/(i1＋i2)
其中（uosch－uoscl）为三角波的峰峰值，uosch≈4.4v，uoscl≈2.0v，ut－on≈4.5v，ut－off≈3.5v。芯片输出最大脉宽为三角波的上升时间，而三角波的下降时间则为死区时间。当发生过流时，断续方式和振荡控制电路开始工作，此时t－off端电压依赖于vf端电压，振荡器的充电电流同正常工作时一样，
充电电流为i1=ut－on/ron
放电电流为
i2'=(uvf－uvfo)/roff＋ut－on/16ron
振荡周期为
t=(uosch－uoscl)cf/（i1＋i2）
其中uvf为vf端电压，uvfo≈0.4v，
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图10m51995ap在正激式变换器的中的应用
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