- 分析電流控制型開關電源方案
- 采用離線式結構
- 采用直接反饋式結構
隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關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，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發展空間。
電壓控制型開關電源會對開關電流失控，不便于過流保護，并且響應慢、穩定性差。與之相比，電流控制型開關電源是一個電壓、電流雙閉環控制系統，能克服電流失控的缺點，并且性能可靠、電路簡單。據此，我們用UC3842芯片設計了一個電流控制型開關電源。為了提高輸出電壓的精度，系統沒有采用離線式結構，而采用直接反饋式結構。本系統在設計上充分考慮了電磁兼容性和安全性，可廣泛應用于工業、家電、視聽和照明設備。
電流控制型開關電源的原理框圖
電流型控制是針對電壓型控制的缺點而發展起來的，在保留了電壓控制型的輸出電壓反饋控制部分外，又增加了一個電流反饋環節，其原理框如圖1所示。
圖1 電流控制型開關電源的原理框圖
電流控制型開關電源是一個電壓、電流雙閉環控制系統，內環為電流控制環，外環為電壓控制環。當U O變化導致UF變化，或I變化導致US變化時，從而改變UO，達到輸出電壓穩定的目的。
電流型控制芯片UC3842
UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有8 個引腳，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 基準電壓進行比較，產生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測輸入端， 當檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態；④腳為定時端，內部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數決定，f=1.8/（RT×CT）；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns 驅動能力為±1A ；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V 基準電壓輸出端，有50mA 的負載能力。
圖2 UC3842內部電路
8端口雙列直插塑料封裝的UC3842各管端口功能簡介。
①端口COMP是內部誤差放大器的輸出端。
②端口VFB是反饋電壓輸入端，與內部誤差放大器同相輸入端的+2.5V基準電壓進行比較，產生誤差電壓，控制脈沖的寬度。
③端口ISENSE是電流傳感端。在應用電路中，在MOSFET的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓并送入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，驅動電流的峰值高達l.0A。
⑦端口VCC是電源。當供電電壓低于16V時，UC3824不工作，此時耗電在1mA以下。芯片工作后，輸入電壓可在10～30V之間波動，工作電流約為15mA。
⑧端口VREF是基準電壓輸出，可輸出精確的+5V基準電壓，電流可達50mA。
UC3842構成電流控制型開關電源
1 電路組成
UC3842構成的電流控制型開關電源電路如圖3所示。
圖3 UC3842構成電流控制型開關電源
2 工作原理
220V交流電先通過濾波網絡濾掉各種干擾。電阻R1主要用來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保護電路免受雷電的沖擊。當C17的正端電位升到≥R16時，⑦端口得工作電壓，UC3842電路啟動，⑥端口電位上升，Q1開始導通，同時⑧端口的5V電壓通過內電路建立……C12濾波電容消除在開關時會產生尖峰脈沖，C11為消噪電容，R6、C13決定鋸齒波振蕩器的振蕩頻率，R9、C15用來確定誤差放大器的增益和頻響。C14起斜坡補償作用，能提高采樣電壓的可靠性。正常工作后，線圈N2上的高頻電壓經過D2、R17、C18、D3為UC3842提供工作電壓。
當開關管導通時，整流電壓加在開關變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在開關變壓器中。開關管截止后，能量通過次級繞組釋放到負載上。D7、D8是脈沖整流二極管，C7、R5吸收旁路開機瞬間出現的脈沖電流，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的導通時間，TOFF為Q2的截止時間。
由上式可知，輸出電壓和開關管的導通時間及輸入電壓成正比，與變壓器的變壓比及開關管的截止時間成反比。C16、R12、D5用來限制柵極電壓和電流，進而改善Q1開關速度，有利于改善電磁兼容性。R13主要來防止Q1柵極懸空，D1、R4、C5和D6、R16、C20構成兩級吸收回路，用于吸收尖峰電壓，防止Q1損壞。
系統中的穩壓電路有：
用三極管的管壓降代替穩壓二極管電路中的穩壓電阻R。當UI或RL變化引起輸出電壓UO變化時，UO的變化將反映到三極管的發射結電壓UBE上，引起UCE的變化，從而調整UO，以保持輸出電壓的基本穩定。根據三極管所起的作用，稱為調整管。由于調整管與負載是串聯關系，所以圖15-2-1稱為串聯型穩壓電路。它主要由基準電壓、比較放大、取樣電路和調整元件組成。比較放大可以是單管放大電路、差動放大電路、集成運算放大器。調整元件可以是單個功率管，復合管或用幾個功率管并聯。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準電壓VREF比較。
● 電流反饋電路。Q1源極串接取樣電阻R15，把電流信號變為電壓信號，送入UC3842內部的電流檢測比較器同相端。當Q1導通，電流斜率上升時，取樣電阻R15的電壓增加。一旦R15的電壓等于電流檢測比較器反相端的電壓，內部觸發器復位，Q1截止，即實現了以電流控制⑥端口激勵脈沖的占空比來穩定輸出電壓。C19用來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壓器TL431和線性光電耦合器PC817組成。輸出電壓經R21、R22分壓后得到取樣電壓，送到可編程精密穩壓器TL431的參考端口，改變R21、R22的阻值，使TL431的穩壓值變化，即可改變開關電源的輸出電壓。當輸出電壓升高時，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內部的電流檢測比較器反相端的電壓變低，輸出端⑥端口的脈沖信號占空比變低，開關管的導通時間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓下降時，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達到穩壓目的。另一方面，⑦端口電源電壓由D2整流、C18濾波產生，反映了輸出電壓的變化，起到反饋作用，使輸出電壓穩定。
● 電路有前饋線調整功能。在負載不變時，輸入電壓突然增加，開關變壓器的感應電流由于輸入電壓增加而迅速斜升，因反饋信號和誤差信號尚未改變，限流作用發生比較快，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償，即提高了對輸入電壓的響應速度。
圖4 斜率補償
當系統工作在占空比大于50％或連續電感電流條件下，會產生諧波振蕩，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時工作所引起，圖4A顯示了這種現象。如果系統有一個擾動加到控制電壓上，產生一個小的△I（圖中虛線），系統將不穩定。
為了能使系統在占空比大于50％或連續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與脈寬調制時鐘同步的人為斜坡，可以在后續周期將△I擾動減小至零，如圖4B所示。該補償斜坡的斜率必須等于或略大于m2/2，系統才具有穩定性。
系統設計的保護電路有：
● 輸出過壓保護電路Ⅰ。當輸出電壓較高，通過電壓反饋電路使得②端口電壓超過2.5V時，內部觸發器復位，外接Q1截止，達到輸出過壓保護的目的。
● 輸出過壓保護電路Ⅱ。當輸出電壓升高，高于D9的擊穿電壓時，穩壓二極管D9擊穿，可控硅SCR觸發導通，使光電耦合器二極管的負端電壓降為0V，光電耦合器飽和，②端口電壓為最大值，Q1一直截止，達到輸出過壓保護的目的。
● 輸出過流、過載保護電路。在電路過流、過載時，輸出電壓降低，Q3、D4、R8構成次級過流、過載保護電路。當次級未過載時，Q3、D4截止；當次級過載時，Q3、D4導通，④端口電位下降，鋸齒波振蕩器停振，達到過流、過載保護的目的。
● Q1過流保護電路。當電源電壓異常時，開關回路的電流增大，取樣電阻R15上的電壓超過1V時，內部觸發器復位，外接Q1截止，有效地保護了Q1。
結論
本系統采用UC3842設計的電流控制型開關電源，克服了電壓控制型開關電源電壓調整率和負載調整率差的缺點，并且性能可靠，電路簡單。該電源是20～80W的小功率開關電源的理想電源。
