电流控制模式开关电源的分析与设计.pdf

电流控制模式开关电源的分析与设计 毛　鸿　吴兆麟 浙江大学电力电子技术国家实验室　　杭州: 310027 　　摘　要　本文介绍开关电源的电流型 PWM 控制技术的原理及优点, 采用集成电路 UC3842 作为控制器, 设计了+ 5V、40W 反激式开关稳压电源。 关键词　电流控制模式　脉宽调制器　反激变换　高频变压器 Abstract　T his paper presents the principles and virtues of a current-mode-contro l pulse w idth modulator ( PWM ) . The f lyback sw itch mode pow er supply ( + 5V/ 40W ) is designed which is controlled by IC controller UC3842. Keyword　Current-mode-control　Pulse w idth modulator( PWM )　Fyback conversion High fr equency t ransformer 1　引言 　　近年来, 开关电源在通讯、航空航天、工业自动 化装置以及仪器仪表等领域得到广泛的应用。传统 的开关电源普遍采用电压型脉宽调制( PWM )技术, 即将输出电压反馈后用于控制功率开关脉宽的大 小。电流型 PWM 是近年兴起的新技术, 与电压型 PWM 比较, 电流型 PWM 开关电源具有更好的电 压调整率和负载调整率,系统的稳定性和动态特性 得以明显改善,特别是其内在的限流能力和并联均 流能力可以使控制电路简单可靠。由于电流型 PWM 控制技术的独特优点, 该技术 80年代初公开 以后就受到广泛的重视。 电流型 PWM 集成控制器已经产品化, 典型产 品是 Unit rode 公司近年推出的 UC3842 系列控制 芯片,该系列产品极大地推动了小功率开关电源的 发展和应用。目前,小功率开关电源正从电压控制模 式向电流控制模式方向转化。 2　电流控制模式的原理及优点 　　图 2—1示出反激式开关电源的双环电流控制 模式原理。时钟以固定频率发送脉冲, 脉冲到来时, 锁存器置 1, 功率开关管导通, 变压器原边电流上 升。当上升到由电压误差信号 Ue决定的门槛值时, PWM 比较器输出高电平, 锁存器复位, 功率管关 断,直到下一个时钟脉冲的到来。 图 2—1　双环电流模式控制原理图 ·42· 工业仪表与自动化装置　　　　　　　　　　　　　　　　1999 年第 6 期 　　输入电压升高时, 调节过程为: Ui↑→( Ui / L ) ↑→Ton↓→( D 1- D )↓→Uo 不变, 可见, 系统对输 入电压扰动的抑制是通过开环前馈实现的, 系统有 很快的动态响应速度。电流控制方式下,电感电流不 再是独立的变量,电压误差放大器可以有较高的增 益而不会影响系统的稳定性, 系统的负载调整率可 以明显改善; 逐个脉冲电流检测限制可以简化过流 保护电路, 这种峰值电感电流检测技术可以灵敏地 精确地限制输出的最大电流, 所以开关电源的高频 变压器和功率元件不必设计较大的余量,这能保证 稳压电源工作可靠, 成本降低。 3　UC3842的构成及特点 　　U C3842是一种单端输出的峰值电流型 PWM 图 3—1　UC3842的管脚排列 控制芯片, 该系列的芯片还有 UC3843、UC3844和 UC3845。U C3842的管脚排列顺序如图 3—1所示。 芯片内部除了误差放大、PWM 调制、锁存、振荡时 钟等基本的功能外,还有迟滞欠压锁定( U VLO)、芯 片过压保护、基准电源、低起动电流、电流图腾输出 等功能。电压迟滞环的起动电压为16V,关闭电压为 10V ,芯片起动电流为 1mA, 这些特点允许芯片从 高压用电阻降压馈电, 待起动完成后,由自馈电绕组 供电。电压误差放大器开环频宽为 1MHZ,补偿端 ( COMP)接 R、C 网络可以改变放大器的闭环增益 和频响。电流反馈由 CS端引入, 反馈电压超过 1V 时输出脉冲关断,该功能用于逐个脉冲的限流保护。 时钟频率由4端( RC)外接 RT 和 CT 确定,最高振荡 频率可达 500kHZ。6端( OUT )采用图腾柱输出, 电 流峰值可达 1A,可直接用于 N 沟道 MOSFET 的驱 动。 4　电路原理与设计 　　图 4—1是以 U C3842作控制器的单端反激式 开关稳压电源的电路图。电源输出电压 5V ,最大电 流输出 8A。图中, R 1是热敏电阻, 限制上电时的冲 击电流, C1、C2是差模吸收电容, L 1抑制共模干扰 图 4—1　电流型反激式开关稳压电源电路 ·43·1999 年第 6 期