- 分析電流控制型開(kāi)關(guān)電源方案
- 采用離線式結(jié)構(gòu)
- 采用直接反饋式結(jié)構(gòu)
隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。
電壓控制型開(kāi)關(guān)電源會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)電流失控，不便于過(guò)流保護(hù)，并且響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差。與之相比，電流控制型開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，能克服電流失控的缺點(diǎn)，并且性能可靠、電路簡(jiǎn)單。據(jù)此，我們用UC3842芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)電流控制型開(kāi)關(guān)電源。為了提高輸出電壓的精度，系統(tǒng)沒(méi)有采用離線式結(jié)構(gòu)，而采用直接反饋式結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了電磁兼容性和安全性，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家電、視聽(tīng)和照明設(shè)備。
電流控制型開(kāi)關(guān)電源的原理框圖
電流型控制是針對(duì)電壓型控制的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的，在保留了電壓控制型的輸出電壓反饋控制部分外，又增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，其原理框如圖1所示。
圖1 電流控制型開(kāi)關(guān)電源的原理框圖
電流控制型開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)。當(dāng)U O變化導(dǎo)致UF變化，或I變化導(dǎo)致US變化時(shí)，從而改變UO，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。
電流型控制芯片UC3842
UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/（RT×CT）；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。
圖2 UC3842內(nèi)部電路
8端口雙列直插塑料封裝的UC3842各管端口功能簡(jiǎn)介。
①端口COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端。
②端口VFB是反饋電壓輸入端，與內(nèi)部誤差放大器同相輸入端的+2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，控制脈沖的寬度。
③端口ISENSE是電流傳感端。在應(yīng)用電路中，在MOSFET的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓并送入③端口，控制脈沖的寬度。
④端口RT/CT是定時(shí)端。鋸齒波振蕩器的振蕩頻率f=1.8/（RT·CT），電流模式工作頻率可達(dá)500kHz。
⑤端口GND是接地。
⑥端口OUTPUT是輸出端，此端口為圖騰柱式輸出，驅(qū)動(dòng)電流的峰值高達(dá)l.0A。
⑦端口VCC是電源。當(dāng)供電電壓低于16V時(shí)，UC3824不工作，此時(shí)耗電在1mA以下。芯片工作后，輸入電壓可在10～30V之間波動(dòng)，工作電流約為15mA。
⑧端口VREF是基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出精確的+5V基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50mA。
UC3842構(gòu)成電流控制型開(kāi)關(guān)電源
1 電路組成
UC3842構(gòu)成的電流控制型開(kāi)關(guān)電源電路如圖3所示。
圖3 UC3842構(gòu)成電流控制型開(kāi)關(guān)電源
2 工作原理
220V交流電先通過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)濾掉各種干擾。電阻R1主要用來(lái)消除斷電瞬間殘留的電壓，熱敏電阻RT1可以限制浪涌電流，壓敏電阻VDR保護(hù)電路免受雷電的沖擊。當(dāng)C17的正端電位升到≥R16時(shí)，⑦端口得工作電壓，UC3842電路啟動(dòng)，⑥端口電位上升，Q1開(kāi)始導(dǎo)通，同時(shí)⑧端口的5V電壓通過(guò)內(nèi)電路建立……C12濾波電容消除在開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖，C11為消噪電容，R6、C13決定鋸齒波振蕩器的振蕩頻率，R9、C15用來(lái)確定誤差放大器的增益和頻響。C14起斜坡補(bǔ)償作用，能提高采樣電壓的可靠性。正常工作后，線圈N2上的高頻電壓經(jīng)過(guò)D2、R17、C18、D3為UC3842提供工作電壓。
當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)繞組上的電能變成磁能儲(chǔ)存在開(kāi)關(guān)變壓器中。開(kāi)關(guān)管截止后，能量通過(guò)次級(jí)繞組釋放到負(fù)載上。D7、D8是脈沖整流二極管，C7、R5吸收旁路開(kāi)機(jī)瞬間出現(xiàn)的脈沖電流，L3、C8、C9、C10組成濾波電路。輸出電壓可由下式描述。
UO=UI（TON/KTOFF）
式中，UO為輸出電壓，UI為整流電壓，K為變壓器的變壓比，TON為Q1的導(dǎo)通時(shí)間，TOFF為Q2的截止時(shí)間。
由上式可知，輸出電壓和開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間及輸入電壓成正比，與變壓器的變壓比及開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間成反比。C16、R12、D5用來(lái)限制柵極電壓和電流，進(jìn)而改善Q1開(kāi)關(guān)速度，有利于改善電磁兼容性。R13主要來(lái)防止Q1柵極懸空，D1、R4、C5和D6、R16、C20構(gòu)成兩級(jí)吸收回路，用于吸收尖峰電壓，防止Q1損壞。
系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電路有：
用三極管的管壓降代替穩(wěn)壓二極管電路中的穩(wěn)壓電阻R。當(dāng)UI或RL變化引起輸出電壓UO變化時(shí)，UO的變化將反映到三極管的發(fā)射結(jié)電壓UBE上，引起UCE的變化，從而調(diào)整UO，以保持輸出電壓的基本穩(wěn)定。根據(jù)三極管所起的作用，稱(chēng)為調(diào)整管。由于調(diào)整管與負(fù)載是串聯(lián)關(guān)系，所以圖15-2-1稱(chēng)為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。它主要由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件組成。比較放大可以是單管放大電路、差動(dòng)放大電路、集成運(yùn)算放大器。調(diào)整元件可以是單個(gè)功率管，復(fù)合管或用幾個(gè)功率管并聯(lián)。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓VREF比較。
● 電流反饋電路。Q1源極串接取樣電阻R15，把電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，送入U(xiǎn)C3842內(nèi)部的電流檢測(cè)比較器同相端。當(dāng)Q1導(dǎo)通，電流斜率上升時(shí)，取樣電阻R15的電壓增加。一旦R15的電壓等于電流檢測(cè)比較器反相端的電壓，內(nèi)部觸發(fā)器復(fù)位，Q1截止，即實(shí)現(xiàn)了以電流控制⑥端口激勵(lì)脈沖的占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。C19用來(lái)抑制取樣電流的尖脈沖。
● 電壓反饋電路。主要由可編程精密穩(wěn)壓器TL431和線性光電耦合器PC817組成。輸出電壓經(jīng)R21、R22分壓后得到取樣電壓，送到可編程精密穩(wěn)壓器TL431的參考端口，改變R21、R22的阻值，使TL431的穩(wěn)壓值變化，即可改變開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，TL431兩端的電壓UKA保持不變，光電耦合器控制端電流增大，②端口反饋端電壓值隨之增大，UC3842內(nèi)部的電流檢測(cè)比較器反相端的電壓變低，輸出端⑥端口的脈沖信號(hào)占空比變低，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓下降時(shí)，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。另一方面，⑦端口電源電壓由D2整流、C18濾波產(chǎn)生，反映了輸出電壓的變化，起到反饋?zhàn)饔茫馆敵鲭妷悍€(wěn)定。
● 電路有前饋線調(diào)整功能。在負(fù)載不變時(shí)，輸入電壓突然增加，開(kāi)關(guān)變壓器的感應(yīng)電流由于輸入電壓增加而迅速斜升，因反饋信號(hào)和誤差信號(hào)尚未改變，限流作用發(fā)生比較快，故脈沖寬度變得比較窄。所以，市電的變化在影響輸出之前己被補(bǔ)償，即提高了對(duì)輸入電壓的響應(yīng)速度。
圖4 斜率補(bǔ)償
當(dāng)系統(tǒng)工作在占空比大于50％或連續(xù)電感電流條件下，會(huì)產(chǎn)生諧波振蕩，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時(shí)工作所引起，圖4A顯示了這種現(xiàn)象。如果系統(tǒng)有一個(gè)擾動(dòng)加到控制電壓上，產(chǎn)生一個(gè)小的△I（圖中虛線），系統(tǒng)將不穩(wěn)定。
為了能使系統(tǒng)在占空比大于50％或連續(xù)電感電流條件下仍能可靠工作，將④端口的鋸齒波電壓通過(guò)射極跟隨器Q2送入③端口，從而在電流取樣端上增加了一個(gè)與脈寬調(diào)制時(shí)鐘同步的人為斜坡，可以在后續(xù)周期將△I擾動(dòng)減小至零，如圖4B所示。該補(bǔ)償斜坡的斜率必須等于或略大于m2/2，系統(tǒng)才具有穩(wěn)定性。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保護(hù)電路有：
● 輸出過(guò)壓保護(hù)電路Ⅰ。當(dāng)輸出電壓較高，通過(guò)電壓反饋電路使得②端口電壓超過(guò)2.5V時(shí)，內(nèi)部觸發(fā)器復(fù)位，外接Q1截止，達(dá)到輸出過(guò)壓保護(hù)的目的。
● 輸出過(guò)壓保護(hù)電路Ⅱ。當(dāng)輸出電壓升高，高于D9的擊穿電壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管D9擊穿，可控硅SCR觸發(fā)導(dǎo)通，使光電耦合器二極管的負(fù)端電壓降為0V，光電耦合器飽和，②端口電壓為最大值，Q1一直截止，達(dá)到輸出過(guò)壓保護(hù)的目的。
● 輸出過(guò)流、過(guò)載保護(hù)電路。在電路過(guò)流、過(guò)載時(shí)，輸出電壓降低，Q3、D4、R8構(gòu)成次級(jí)過(guò)流、過(guò)載保護(hù)電路。當(dāng)次級(jí)未過(guò)載時(shí)，Q3、D4截止；當(dāng)次級(jí)過(guò)載時(shí)，Q3、D4導(dǎo)通，④端口電位下降，鋸齒波振蕩器停振，達(dá)到過(guò)流、過(guò)載保護(hù)的目的。
● Q1過(guò)流保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓異常時(shí)，開(kāi)關(guān)回路的電流增大，取樣電阻R15上的電壓超過(guò)1V時(shí)，內(nèi)部觸發(fā)器復(fù)位，外接Q1截止，有效地保護(hù)了Q1。
結(jié)論
本系統(tǒng)采用UC3842設(shè)計(jì)的電流控制型開(kāi)關(guān)電源，克服了電壓控制型開(kāi)關(guān)電源電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率差的缺點(diǎn)，并且性能可靠，電路簡(jiǎn)單。該電源是20～80W的小功率開(kāi)關(guān)電源的理想電源。
