电流控制型开关电源的研究

电流控制型开关的研究
  信息产业部电子第14研究所鞠文耀（南京210013）
  摘要：介绍电流控制型开关稳压电源的基本原理，并将其与电压型开关稳压电源进行分析和比较，指出电流型控制的优点，最后介绍较为常用的一种电流型控制芯片和典型应用电路。
  关键词：电流型电压型开关电源
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  图1电压控制型原理
  2工作原理
  2.1电压控制型的基本原理
  　　电压控制型原理如图1所示。电源输出电压UO与参考电压Uref比较放大，得到误差信号Ue，再与斜波信号比较后，PWM比较器输出一定占空比的系列脉冲，这就是电压控制型的原理。其最大缺点是：控制过程中电源电路内的电流值没有参与进去。众所周知，开关电源的输出电流是要流经电感的，故对于电压信号有90度的相位延迟，然而对于稳压电源来说，应当考虑电流的大小，以适应输出电压的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的，因此仅采用输出电压采样的方法，其响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变化时，会产生振荡，造成功率管损坏等故障。
  2．2电流控制型的基本原理
  　　电流控制型正是针对电压控制型的缺点而发展起来的，从图2可以看到，它除保留了电压控制型的输出电压反馈外，又增加了一个电流反馈环节。所谓电流控制型，就是在脉宽比较器的输入端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的峰值电流跟随误差电压变化。
  　　电流控制型的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大，当电流在采样电阻RS上的幅度达到Ue时，脉宽比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止，这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。
  
  图2电流型控制原理
  如下：当接通电源后，Ui经R1加至7脚，当7脚电压上升至17V时，UC3842起振，V4导通，电流通过变压器T1的1、2端，并经V4，R7到地，此时T1的4、5端感应出负电压，V5、V3反偏，两绕组均不耗能，变压器T1储能。其振荡频率及导通时间由UC3842来控制。当V4由导通转为截止后，二极管V5、V3正向导通，两绕组均开始耗能，一组为芯片供电，另一组为负载供电。其稳压原理如下：若输出电压因负载变轻而抬高，此时流过光耦N2的发光二极管发光强度增加，三极管内阻变小，从而使加至2脚的电压变高，通过与内部误差放大器比较，使6脚输出导通
  2．3电流控制型的主要优点
  　　（1）线性调整率（电压调整率）非常好，可达0.01％/V，可与优良的线性稳压器媲美，这是因为UCC的变化立即反映为电感电流的变化，它不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再加一级输出电压U0至误差放大器的控制，能使线性调整率更好。
  　　（2）明显地改善了负载调整率，因为误差放大器专门用于控制由于负载变化而造成的输出电压的变化。特别是使轻载时电压升高的幅度大大减少。从1/3负载至满载，负载调整率降至8％，2/3负载至满载，负载调整率降至3％以下。
  　　（3）简化了过流保护电路（电流限制电路）。由于RS上感应出峰值电感电流，所以自然形成脉冲限流电路。这种峰值电感电流感应检测技术可以灵敏地、精确地限制最大输出电流，所以整个开关电源中的磁性元件（高频变压器）和功率元件（高压开关管）不必设计较大的余量，就能保证稳压电源工作可靠，成本降低。
  　　（4）误差放大器的外补偿电路简化，改善了频响，具有更大的增益－带宽乘积。由于电感电流是连续的，所以RS上检测出的峰值电流能代表平均电流。整个电路可看作是一个误差电压控制电流源。变换器（误差放大器）的幅频特性由双极点变成单极点，因而可以改善整个稳压器的特性。
  3电流控制芯片及其应用
  3.1电流控制芯片的结构
  
  图3UC3842内部电路图及引脚图
  　　由于电流控制型较电压控制型有不可比拟的优越性，所以近年来发达国家竞相开发电流控制型芯片，以促使这一技术走向实用化，其中常用的UC3842的外电路接线简单，所用元件少，并且性能优越，成本低廉，驱动电平非常适合驱动MOS场效应管。图3示出了UC3842的内部电路框图和引脚图。UC3842为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整导通宽度，它共8个脚，各脚功能如下：1脚，内部误差放大器；2脚，反馈电压输入脚，此脚电压与内部2.5V基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；3脚，电感电流传感器，当取样超过1V时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态；4脚，定时端，外接定时电阻Rt及定时电容Ct，f=1.8/（Rt×Ct）；5脚，地；6脚，输出端，内部为图腾柱式,上升、下降时间仅50ns，驱动能力为±1A；7脚，供电输入，起振后工作电压为10～13V，低于10V停止工作，功耗为15mW；8脚，内部基准电压，电压5V，电流50mA。
  3．2UC3842组成的实用电路工作原理
  　　由UC3842组成的实用电路见图4，其工作原理
  
  图4UC3842组成的实用电路图
  宽度变窄，达到稳压目的。
  　　过流保护原理：当负载电流超过额定值或输出短路，引起开关管V4电流增加，R7上的电压反馈至3脚，当R7上的电压大于1V时，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，同时也使UC3842工作电压下降。当下降至整定电压以下时，过流保护电路工作，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。
  　　过压保护：当因某种原因使输出电压过高时，稳压管V6导通，从而触发晶闸管V7导通，使输出端短路，可见过压保护是以过流保护的形式出现的。
  3．3实例
  　　现举例做一台输入为DC28V，输出为5V/5A的电源来说明由UC3842为控制芯片的电流控制型开关电源变压器的设计方法和主要元器件的选择依据。
  　　设定输入电压U1变化范围为18V～30V，输出为5V/5A，占空比δ=0.4,振荡频率为f=70kHz,周期T=1/f=14.29μs，导通时间Ton=δ×T=5.71μs,变压器效率η=95％，则变压器一次峰值电流　式中K为一次电流的峰值与最小值的比，K值增大，表示电流的峰值增大，从而增加开关元件的损耗；相反，如果K值小，虽然会减小元件上的功耗，但变压器会增大。所以输入电压最低、输出功率最大时K的最佳值为0.5～0.6。这里取K=0.6。
  　　设5V输出电流IO的过流设定点为IOmax的0％，Uf=0.5V为输出二极管的正向压降，Ul=0.3V为包含输出扼流圈在内的二次线圈的压降。
  　　变压器一次电流峰值为　二次线圈对一次线圈的匝比n21为　一次线圈初级电感为　　变压器选用EI28磁心，有效截面积SC=85mm2最大磁通密度Bm=0.2T
  　　一次线圈的匝数为N1=N2/n21=14匝
  　　UC3842的工作电压取12V，N3=(12/5.8)×7=14匝
  　　开关管V4的漏源间的电压最高值UDS=（U2/n21）＋U1max=(5.8/0.484)＋30=42V
  　　考虑一些尖峰电压的影响，开关管选择耐压为200V、最大导通电流为10A的场效应管，如IRF250。
  　　输出整流二极管的反向电压Udr=Uo＋U1max×n21=5＋30×0.484=19.52V
  　　考虑一些尖峰电压的影响，二极管选择耐压为45V、最大导通电流为10A的肖特基二极管，如SD51。
  4结束语
  　　由UC3842组成的电源，最大的优点是：电路简单，外围元件少，不需外加辅助电源，过流保护功能强，在整个调试过程中，从未发生过功率管损坏的情况。