KA系列SPS单片开关电源器件的原理与应用

    摘要：Samsung Power Switch(SPS)器件是Samsung electronics公司推出的将功率开关与电流模式控制器集成在同一芯片上的单片PWM开关电源集成电路。它具有门极驱动、电流模式PWM控制、优化反馈、尖峰电流抑制、软启动、过载和过热保护等功能。文中介绍了该芯片的结构特点和工作原理，并给出了典型应用电路。

    关键词：单片开关电源 工作原理 消隐

1 引言

小型化、高效率、低成本、脱线调节是开关电源发展的必然趋势。Samsung electronics公司推出的SPS(Samsung Power Switch)器件是将功率开关与电流模式控制器集成在同一芯片上单片PWM开关电源集成电路。它具有门极驱动、内部振荡器、电流模式的PWM控制、优化反馈、尖峰电流抑制、软启动以及过载和过热保护等功能。因此，使用该芯片可使电源设计过程更简单，设计制造更容易，电源结构更简洁。本文将对该芯片的结构特点、工作原理和典型应用电路作以介绍。

2 内部结构和工作原理

SPS芯片（KA2SX系列）的内部结构如图1所示，它的封装形式及管脚如图2所示。其中TO-220F为4管脚芯片，没有软启动功能；TO-3P和TO-3PL为5管脚芯片，具有漏极、接地、电源、反馈和软启动功能。

2.1 启动部分

启动过程从电路接通电源开始，到电路运行到稳态为止。SPS内部带有一些专用电路，如欠压封锁电路、Vcc输入电压保护、PWM软启动等。这些电路均个有防止产生电磁干扰以及限制有害应力产生的作用。

欠压封锁电路可用来设定一定的电压，以保证内部建立合适的偏置电压，并使输入电压在安全运行时尽可能地提供最大的输出功率。其起动阈值为15V，只要达至该阈值，电路偏启动，当电压降到10V时，欠压封锁电路将处于使能状态。

软启动电路主要用于限制起始脉宽并使并启动电容充电，直到5V参考电源稳定建立，且内外电路得到适当的偏置后，欠压电路才允许系统运行。在启动阶段，为了减少功耗，SPS芯片的典型输入电流只有0.3毫安。

2.2 软启动

当系统接通电源时，电源的外接输出电容处于放电状态，由于到达运行电压需要一定的时间，这使得系统不能在全占空比下启动。在软启动期间，电容Css的放电可使PWM比较保持在1V的最小电压。系统启动完毕后，将有1毫安的恒流源和5V的参考电压源对Vss充电以使其电压从0V升高到5V。软启动电容的容量可选择为0.2μF。

2.3 振荡器

SPS的内部振荡器可产生50kHz、70kHz和100kHz的振荡频率。

振荡器的结构如图3所示，波形如图4所示。它由一个精确的电源源对内部电容器充放电来产生稳定的振荡频率。其锯齿波是一个峰一峰值为2V的交流信号与一个2V的直流偏置电压的叠加（见图4）。在放电期间，可通过比较器产生一段脉宽，最小为开关周期的30%，此外，门极驱动为低电平，因此一般的SPS芯片在运行时的最大占空比为70%。而对于2SXX系列，其占空比可以达到90%。

2.4 反馈功能

SPS中的反馈电路可提供如闭环控制输出电压、过载/短路保护、空载下的连续稳定运行等功能。反馈功能在系统启动时就开始起作用，直到系统稳定时结束。反馈电路非常简单，仅需一个反馈电容CFB和光耦三极管即可。在稳定运行时，如果输出电压升高，则光耦电路的输出电压降低，从而使输出脉宽降低；反之，输出脉宽则升高。这样就可使输出电压处于稳定状态。

当输入短路或反馈电容充电到8V时，电源被切断，工作停止。

在空载运行时，电压升高，直到占空比减少到最小为止。反馈电容CFB取决于反馈延迟时间，一般取5μF。

2.5 过热保护

利用双极晶体管的基极-发射极作为温度传感器，可在温度达到155℃时，使温度检测电路向切断电路发出一个逻辑信号以使电源关闭而停止工作。要恢复工作，输入电源必须先切断，然后再打开。

2.6 门极驱动

SPS采用门极驱动可以实现在低功耗状态下作并可减少电磁干扰。

2.7 上升沿尖峰电流消隐

在稳定运行时，变压器初级电流在上升沿会有一个高尖峰，如果不将其减弱或消除就会切断电流检测电路。该尖峰电流可能与MOSFET的开启电流重合而与初级电流平均值无关。传统的处理方法是在电流检测电路中增加一个低通滤波器，以在SPS芯片内部的尖峰处理环节中将尖峰消除，从而使电流检测电路直接得到变压器初级电流的峰值。

3 典型应用电路