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分析電流控制型開關(guān)電源方案

發(fā)布時間:2012-03-20

中心議題: 解決方案:
  • 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)備都離不開可靠的電源,進(jìn)入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化,率先完成計算機的電源換代,進(jìn)入90年代開關(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、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源,更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(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,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(guān)電源,這一成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新,使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新,這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動,這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。

電壓控制型開關(guān)電源會對開關(guān)電流失控,不便于過流保護(hù),并且響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差。與之相比,電流控制型開關(guān)電源是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng),能克服電流失控的缺點,并且性能可靠、電路簡單。據(jù)此,我們用UC3842芯片設(shè)計了一個電流控制型開關(guān)電源。為了提高輸出電壓的精度,系統(tǒng)沒有采用離線式結(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、視聽和照明設(shè)備。

電流控制型開關(guān)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(fā)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(huán)節(jié),其原理框如圖1所示。

圖1 電流控制型開關(guān)電源的原理框圖

電流控制型開關(guān)電源是一個電壓、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,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腳為電流檢測輸入端, 當(dāng)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(tài);④腳為定時端,內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(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、下降時間僅為50ns 驅(qū)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(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,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(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)成電流控制型開關(guān)電源

1 電路組成

UC3842構(gòu)成的電流控制型開關(guān)電源電路如圖3所示。

圖3 UC3842構(gòu)成電流控制型開關(guān)電源

2 工作原理

220V交流電先通過濾波網(wǎng)絡(luò)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(hù)電路免受雷電的沖擊。當(dāng)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(dǎo)通,同時⑧端口的5V電壓通過內(nèi)電路建立……C12濾波電容消除在開關(guān)時會產(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(jīng)過D2、R17、C18、D3為UC3842提供工作電壓。

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時,整流電壓加在開關(guān)變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在開關(guān)變壓器中。開關(guān)管截止后,能量通過次級繞組釋放到負(fù)載上。D7、D8是脈沖整流二極管,C7、R5吸收旁路開機瞬間出現(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)通時間,TOFF為Q2的截止時間。

由上式可知,輸出電壓和開關(guān)管的導(dǎo)通時間及輸入電壓成正比,與變壓器的變壓比及開關(guān)管的截止時間成反比。C16、R12、D5用來限制柵極電壓和電流,進(jìn)而改善Q1開關(guān)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(gòu)成兩級吸收回路,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,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、差動放大電路、集成運算放大器。調(diào)整元件可以是單個功率管,復(fù)合管或用幾個功率管并聯(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,把電流信號變?yōu)殡妷盒盘?,送入UC3842內(nèi)部的電流檢測比較器同相端。當(dāng)Q1導(dǎo)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(nèi)部觸發(fā)器復(fù)位,Q1截止,即實現(xiàn)了以電流控制⑥端口激勵脈沖的占空比來穩(wěn)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(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,即可改變開關(guān)電源的輸出電壓。當(dāng)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(nèi)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(guān)管的導(dǎo)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(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,起到反饋作用,使輸出電壓穩(wěn)定。

● 電路有前饋線調(diào)整功能。在負(fù)載不變時,輸入電壓突然增加,開關(guān)變壓器的感應(yīng)電流由于輸入電壓增加而迅速斜升,因反饋信號和誤差信號尚未改變,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償,即提高了對輸入電壓的響應(yīng)速度。

圖4 斜率補償

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,會產(chǎn)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(xiàn)象。如果系統(tǒng)有一個擾動加到控制電壓上,產(chǎn)生一個小的△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(diào)制時鐘同步的人為斜坡,可以在后續(xù)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(tǒng)才具有穩(wěn)定性。

系統(tǒng)設(shè)計的保護(hù)電路有:

● 輸出過壓保護(hù)電路Ⅰ。當(dāng)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(nèi)部觸發(fā)器復(fù)位,外接Q1截止,達(dá)到輸出過壓保護(hù)的目的。

● 輸出過壓保護(hù)電路Ⅱ。當(dāng)輸出電壓升高,高于D9的擊穿電壓時,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)到輸出過壓保護(hù)的目的。

● 輸出過流、過載保護(hù)電路。在電路過流、過載時,輸出電壓降低,Q3、D4、R8構(gòu)成次級過流、過載保護(hù)電路。當(dāng)次級未過載時,Q3、D4截止;當(dāng)次級過載時,Q3、D4導(dǎo)通,④端口電位下降,鋸齒波振蕩器停振,達(dá)到過流、過載保護(hù)的目的。

● Q1過流保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓異常時,開關(guān)回路的電流增大,取樣電阻R15上的電壓超過1V時,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)計的電流控制型開關(guān)電源,克服了電壓控制型開關(guān)電源電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)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(guān)電源的理想電源。
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