一種電流控制型開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

王坤航 劉華

摘 要：該設(shè)計(jì)根據(jù)電流控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的研究現(xiàn)狀，提出了一個(gè)電流控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行電壓調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率的測(cè)試，結(jié)果表明：該電流控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在輸入交流電壓185V至250V時(shí)，可輸出直流電壓10V。該電源穩(wěn)壓效果良好、過(guò)流及短路保護(hù)方法合理、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均低于3%。

關(guān)鍵詞：電流控制型；電壓調(diào)整率；負(fù)載調(diào)整率

中圖分類(lèi)號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）24-0090-03

Abstract： According to the research status of current controlled pulse width modulation （PWM） switching power supply， a design scheme of current controlled PWM switching voltage stabilizing power supply is put forward in this paper. The voltage regulation rate and load regulation rate are tested. The results show that the output DC voltage of the current controlled PWM switching power supply is 10 V when the input voltage is from 185 V to 250 V， and the output voltage of the current controlled PWM switching power supply is 10 V when the alternate current （AC） voltage is from 185 V to 250 V. The voltage stabilizing effect of the power supply is good， the over-current and short-circuit protection methods are reasonable， and the voltage regulation rate and load regulation rate are all less than 3%.

Keywords： current control mode； voltage regulation rate； load regulation rate

開(kāi)關(guān)電源[1]中有兩種常見(jiàn)的控制方式：電流控制和電壓控制。問(wèn)世于20世紀(jì)70年代后期的電流控制型脈寬調(diào)制技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的電壓控制型脈寬調(diào)制技術(shù)的缺點(diǎn)，提高了開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)使開(kāi)關(guān)電源工作起來(lái)更穩(wěn)定。

目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的電流控制型脈寬調(diào)制器是美國(guó)Unitrode公司生產(chǎn)的高性能電流控制型脈寬調(diào)制器芯片UC3842[2]。該芯片具有外圍電路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)下比較理想的新型脈寬調(diào)制器。但是隨著開(kāi)關(guān)電源頻率的提高，由它所構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源的外圍電路卻出現(xiàn)了很多問(wèn)題[3]，因此，研究UC3842的外圍電路以及對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使優(yōu)化后的電路性能更可靠、更穩(wěn)定，這對(duì)電流控制型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展有深遠(yuǎn)意義。

1 電流控制型脈寬調(diào)制電路

1.1 控制芯片

電流控制和電壓控制是高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中常見(jiàn)的兩種控制方式[4]。電流控制相對(duì)電壓控制來(lái)說(shuō)電路比較復(fù)雜，但是響應(yīng)速度快，因此，電流型控制芯片被廣泛地應(yīng)用于隔離式單端開(kāi)關(guān)電源以及DC/DC變換器中。

如圖1所示，為電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3842的內(nèi)部電路圖[5]，表1為引腳功能說(shuō)明[6]。

1.2 控制原理

常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源由主電路、控制電路、檢測(cè)電路及輔助電源四部分組成[7]。主電路決定開(kāi)關(guān)電源的工作模式，可根據(jù)主電路的不同分為正激式還是反激式，升壓式還是降壓式等等；根據(jù)檢測(cè)電路采集電壓或電流的方式，其控制電路分為電壓控制型和電流控制型[8]。

如圖2所示，本設(shè)計(jì)所使用的控制電路為電流控制型，采用了電流電壓雙閉環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是電流環(huán)，外部是電壓環(huán)。其控制原理是：將給定的電壓Vi與反饋電壓Vr進(jìn)行比較得到電壓誤差，該電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出后，作為另一個(gè)給定的電壓信號(hào)Ve與經(jīng)采樣電阻采集的信號(hào)Vs進(jìn)行比較，輸出一個(gè)可調(diào)節(jié)的PWM脈沖信號(hào)，從而使得輸出的電壓信號(hào)VO保持恒定[9]。

2 電源設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

明確各項(xiàng)性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)電源的前提，該電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2：

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括：整流濾波電路、鉗位電路、緩沖電路、控制電路、輸出整流濾波電路和反饋電路，另外還有隔離降壓變壓器、高頻變壓器與開(kāi)關(guān)管。

系統(tǒng)工作過(guò)程：交流電壓Vi經(jīng)過(guò)隔離降壓變壓器后，將220V交流電變?yōu)?0V左右的交流電，再經(jīng)橋式整流電路，得到約為100V的直流電壓。此時(shí)的直流電壓經(jīng)過(guò)高頻變壓器改變幅值，并由變壓器的次級(jí)傳遞到輸出整流濾波電路，得到期望的輸出電壓Vo。此過(guò)程中，由于反激式變換器在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，一次側(cè)會(huì)存有大量的能量，為了保護(hù)電路，需要在一次側(cè)加入一個(gè)鉗位電路，使整個(gè)電路能夠正常工作；同時(shí)，為了提高電路的工作效率，在開(kāi)關(guān)管旁路增加一個(gè)緩沖回路，用來(lái)減少開(kāi)關(guān)管的損耗。為了防止電路工作過(guò)程中在輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載變化而導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定的情況發(fā)生，在電路輸出端加入一個(gè)反饋回路，通過(guò)將輸出端的采樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并把反饋信號(hào)輸送給控制電路，控制PWM波的占空比，從而控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，使輸出電壓穩(wěn)定[10]。

2.3 設(shè)計(jì)方案

如圖4所示，220V交流電經(jīng)變壓器T1降壓成70V后接進(jìn)線端，滑動(dòng)變阻器RP1起限流保護(hù)作用，70V的交流電經(jīng)整流橋整流以及電解電容C8濾波后變?yōu)?00V左右的脈動(dòng)直流輸入電壓，記做Vd。此電壓分為兩路：一路經(jīng)電阻R6、滑動(dòng)變阻器RP2降壓后為UC3842提供直流啟動(dòng)電壓；另一路經(jīng)變壓器“3”和“4”引腳抽頭構(gòu)成的初級(jí)線圈為開(kāi)關(guān)管的漏極提供驅(qū)動(dòng)電壓。R9、C6與快恢復(fù)二極管VD6構(gòu)成變壓器緩沖網(wǎng)絡(luò)吸收回路，用以對(duì)變壓器初級(jí)的漏電流、次級(jí)反饋到初級(jí)的尖峰電流進(jìn)行吸收。

變壓器的“1”和“7”引腳抽頭，組成反饋線圈，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，反饋線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)快恢復(fù)二極管VD5，為UC3842提供工作電壓。R8是電流檢測(cè)電阻，R11是電壓負(fù)反饋電阻，用于檢測(cè)電路輸出端的工作狀況，如過(guò)流、短路等。UC3842的4腳定時(shí)端接入一個(gè)由R4、Q1和R1組成的射極跟隨器，可避免系統(tǒng)在連續(xù)的電感電流條件下工作時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。取樣電阻旁邊串聯(lián)的電感L1，一方面，電感的感性分量可以抵消取樣電阻的感性分量，另一方面，能夠抑制變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓。反饋回路使用三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源與光電耦合器直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣[13]，可以使輸出電壓降低時(shí)，UC3842的6腳驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出的占空比減小，輸出電壓上升?？旎謴?fù)整流二極管V4對(duì)變壓器“5”和“6”引腳抽頭構(gòu)成的輸出電路進(jìn)行整流，電容C10濾波，滑動(dòng)變阻器RP3和電阻R17做負(fù)載。

3 性能測(cè)試

3.1 電壓調(diào)整率測(cè)試

如圖4所示，將滑動(dòng)變阻器RP1緩慢右旋使輸入直流電壓Vd減小約20%，用萬(wàn)用表測(cè)量輸入直流電壓改變前后的輸出電壓（端口3和端口4）V1和V2，如此反復(fù)測(cè)量3次，記錄如表3并計(jì)算電壓調(diào)整率。

3.2 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試

如圖4所示，將滑動(dòng)變阻器RP3右旋到底，此時(shí)負(fù)載約增加25%，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓改變前后的數(shù)值（端口3和端口4）V3和V4，反復(fù)測(cè)量3次，記錄如表4并計(jì)算負(fù)載調(diào)整率。

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)利用電流控制型脈寬調(diào)制芯片，通過(guò)制定設(shè)計(jì)方案，繪制電路圖并制作PCB板，焊接電路以及對(duì)電路進(jìn)行工作性能測(cè)試，最終完成了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

該設(shè)計(jì)使用了較低漏感的高頻變壓器，并在取樣電阻的旁邊串聯(lián)了抑制變壓器漏感的電感。芯片定時(shí)端加上了射極跟隨器以避免系統(tǒng)在連續(xù)的電感電流條件下工作時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。反饋回路使用三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源與光電耦合器直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，提高了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。電路不僅能夠輸出直流電壓10V，而且該電源穩(wěn)壓效果良好、過(guò)流及短路保護(hù)方法合理、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均低于3%。

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