電流控制模式多路輸出開關(guān)電源的研制

摘要：介紹了開關(guān)電源電流型PWM控制技術(shù)的原理和優(yōu)點(diǎn)，并基于UC3842芯片設(shè)計(jì)了＋5V/4A，±12V/1A三路輸出的反激式電源，具體分析了電路的工作原理和高頻變壓器參數(shù)的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制；電流控制模式；反激式

0    引言

    近年來，開關(guān)電源在通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空、儀表儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。新穎的電流型PWM克服了傳統(tǒng)的電壓型PWM的缺點(diǎn)，使開關(guān)電源具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)、高度的穩(wěn)定性、更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，特別是其內(nèi)在的限流能力，使過載及短路保護(hù)簡單可靠。電流型PWM集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，本設(shè)計(jì)使用的就是典型的Unitrode公司產(chǎn)品UC3842，其特別適合于小功率型開關(guān)電源。

1    電流控制模式的原理及優(yōu)點(diǎn)

    圖1所示為反激式開關(guān)電源的電壓、電流雙閉環(huán)控制的原理。時(shí)鐘以固定頻率發(fā)送脈沖，脈沖到來時(shí)，鎖存器置“1”，開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器原邊電流上升。上升到由誤差信號(hào)Ue決定的閾值時(shí)，PWM比較器輸出高電平，鎖存器復(fù)位，功率開關(guān)管關(guān)斷，直到下個(gè)脈沖的到來。當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，系統(tǒng)有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對電壓擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)前饋抑 制 。 同 時(shí) ， 電 壓 誤 差 放 大 器 有 很 高 的 增 益 ， 不 影 響 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 ， 且 改 善 了 負(fù) 載 調(diào) 整 率 。 逐 個(gè) 脈 沖 電 流 檢 測 限 制 可 以 簡 化 過 流 保 護(hù) 電 路 ， 峰 值 限 制 最 大 輸 出 電 流 ， 保 證 電 源 工 作 可 靠 ， 變 壓 器 和 功 率 器 件 不 必 有 較 大 的 裕 量 。

圖 1    雙 閉 環(huán) 電 流 模 式 控 制 原 理

2    電路原理與設(shè)計(jì)

2.1    UC3842簡單介紹

    UC3842是一種單端輸出的峰值電流PWM控制芯片，管腳示意如圖2所示。其內(nèi)部有誤差放大器、PWM調(diào)制、鎖存、振蕩時(shí)鐘等基本模塊，還有欠壓鎖定、過壓保護(hù)、基準(zhǔn)電源、低起動(dòng)電流、電流圖騰輸出等功能。電壓滯環(huán)的起動(dòng)電壓是16V，關(guān)閉電壓是10V，6V的起動(dòng)與關(guān)閉電壓差可有效防止電路在閥值電壓附近工作而引起的振蕩。芯片起動(dòng)電流1mA，所以，芯片可以對高壓用電阻降壓起動(dòng)，待起動(dòng)完成后由饋電繞組供電。補(bǔ)償端接RC網(wǎng)絡(luò)來改變誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率響應(yīng)。電流反饋端Ucs>1V時(shí)輸出脈沖關(guān)斷，起到逐個(gè)脈沖限流保護(hù)。時(shí)鐘由外接阻容RT和CT決定。

圖2    UC3842的 管 腳 排 列

2.2    電路的模塊分析

    圖3是以UC3842作為控制器的單端反激式開關(guān)電源的電路圖,輸出分別為＋5V/4A及±12V/1A。電路對＋5V輸出用4N35光耦進(jìn)行電壓采樣來精確穩(wěn)壓，±12V輸出加三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。圖3中L1抑制共模干擾，RT是熱敏電阻，限制上電的沖擊電流，ZMR是壓敏電阻，防止雷擊，C4濾除工頻信號(hào)；R2，C18，D5用于吸收開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感產(chǎn)生的過電壓；R6及C8用于濾除MOSFET開通時(shí)的電流尖峰，避免對檢測電流信號(hào)的干擾；R9及C11構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；R1是檢測電阻，用以把變壓器原邊的電流轉(zhuǎn)化成電壓，R7是起動(dòng)電阻，起動(dòng)完成后由饋電繞組經(jīng)過D6及C7供電；R8及C5決定振蕩器頻率fosc=(kHz)，本設(shè)計(jì)中為50kHz；L2，C15，C16組成π型濾波，濾除低頻，而C10濾除高頻；R11是假性負(fù)載，因?yàn)?，開關(guān)電源要求在空載下能工作，而反激式變換器必須保證磁路復(fù)位，否則會(huì)造成變壓器磁芯飽和，燒壞主功率管。R15及C20吸收副邊整流管的尖峰。TL431是精密可調(diào)基準(zhǔn)電源，調(diào)節(jié)RES3可以改變輸出電壓。

圖 3    電 流 型 反 激 式 三 路 輸 出 開 關(guān) 穩(wěn) 壓 電 源 [!--empirenews.page--]

2.3    穩(wěn)壓過程的分析

    電流控制型脈寬調(diào)制實(shí)際上是利用誤差信號(hào)去控制變壓器初級(jí)線圈中的電流。電路主要由調(diào)整脈寬來穩(wěn)定＋5V/4A輸出，而±12V/1A由于和＋5V線圈緊密耦合，所以，利用三端穩(wěn)壓器來穩(wěn)壓。

    圖4所示，TL431是精密可調(diào)基準(zhǔn)電源，穩(wěn)壓值為2.5～36V連續(xù)可調(diào)，工作時(shí)電路自行調(diào)節(jié)陰極K端電壓，以使R端電壓Uref保持在2.5V。而輸出電壓Uo=Uref〔1＋R13/（R14＋RES3）〕≈UKA，由于Uref穩(wěn)定在2.5V，若改變R13/（R14＋RES3〕就可以改變輸出。本設(shè)計(jì)中Uo=2.5×〔1＋3.3kΩ/(1.5kΩ＋RES3))，如取RES3=1.8kΩ，則輸出為5V。

圖 4    精 密 可 調(diào) 基 準(zhǔn) 電 源

    調(diào)節(jié)過程如下：

    當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，例如load↑→Uo↑→Uref↓→UKA↓→(Uo－UKA)↓→光耦原邊i↓→光耦副邊三極管Uce↑→PWM比較器反向輸入端Ue↑→D↑→Uo↑；可見負(fù)載增大，電源自動(dòng)調(diào)節(jié)占空比，使輸出穩(wěn)定，反之亦然。

    當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，即Ui↑→(Ui/L)↑→Uo↑→PWM比較器正向輸入端Ucs↑→D↓→Uo↓；可見輸入電壓波動(dòng)是前饋調(diào)節(jié)，速度快，當(dāng)然輸入電壓的變化也會(huì)影響輸出，產(chǎn)生誤差進(jìn)而調(diào)節(jié)，這樣線形調(diào)整率更佳。

    當(dāng)調(diào)整RES3改變輸出時(shí)，例如RES3↑→（R14＋RES3）↑→Uo↓→(Uo－UKA)↑→光耦原邊i↓→D↓→Uo↓；可見其與負(fù)載變化調(diào)整情況相反，調(diào)大RES3是降低輸出電壓，占空比隨之減小，從而穩(wěn)定輸出。

3    高頻變壓器的設(shè)計(jì)

    高頻變壓器是開關(guān)電源的關(guān)鍵，其決定著電源的性能，本電源的參數(shù)：＋5V/4A，±12V/1A，Po=45W，η=80％，DN=25％。

    設(shè)計(jì)選用EI型的鐵氧體鐵芯R2KB，常溫時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=0.5mT，磁芯的有效截面積：Sc=125mm2。N1～4分別為輸入、＋5V輸出、饋電、±12V輸出繞組匝數(shù)，Ui=300V為輸入直流電壓，UD為二極管導(dǎo)通壓降取0.7V，DN=25％為額定占空比。

    1）變壓器匝比

    n=（1）

    將DN，Ui，Uo=5V代入式（1）得n=0.057。

    2）原邊繞組電感

    L=（2）

    將DN，Ui，T=1/fosc=1/50×103=20μs，Po，η代入式（2）得L=1mH。

    3）原、副邊繞組匝數(shù)

    N1=（3）

    將ΔB=0.15T(為了防止磁芯飽和，取ΔB<Bm)，Sc=125mm2代入式（3）得N1=80匝，則

    N2=N1n=4.6，取5匝， [!--empirenews.page--]

    又饋電繞組和副邊繞組同時(shí)導(dǎo)通，且穩(wěn)定電壓為13V，則

    N3=(13＋UD)=12匝，

    N4==12，考慮到三端穩(wěn)壓器的損耗故取15匝。

    4）磁場氣隙

    δ=（4）

    將數(shù)據(jù)代入式（4）得出δ=1mm。適當(dāng)?shù)臍庀犊煞乐棺儔浩黠柡停^大又增加了變壓器漏感，所以應(yīng)該折中選擇，本設(shè)計(jì)的EI磁芯，單邊可取δ/2，實(shí)際中我們?nèi)?.5mm。

    5）繞制技巧

    原邊繞組分二層繞，先繞原邊40圈，再把饋電繞組、輸出繞組繞在一層，最外面還是原邊繞組，層與層之間要加絕緣膠帶，這樣的繞制方式可有效降低變壓器漏感。

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    圖5所示為高頻變壓器原、副邊波形，由圖5可見工作周期是20μs，原副邊是以同名端作為示波器的正端的。圖6所示為輸出濾波電感的波形。

圖 5    變 壓 器 原 、 副 邊 波 形 （ “ 2” 為 原 邊 ， “ 1” 為 副 邊 ）

圖 6    輸 出 濾 波 電 感 的 波 形

5    結(jié)語

    電流型PWM控制技術(shù)可以使開關(guān)電源獲得優(yōu)良的性能指標(biāo)和較高的可靠性，控制器UC3842具有開關(guān)頻率高，外圍電路簡單，成本低，特別適合于自動(dòng)化儀表使用的單端小功率電源。