小功率开关电源分析

同济大学中德学院 关振源 张敏 摘 要：本文从 DC/DC 转换器、电流型 PWM 控制器 UC3842 开始，着重论述了一种小功率开关电源的基本电路结构及其工作原理。 关键词：DC/DC 变换器；电流型 PWM 控制器；开关电源 关键词

引言 ---开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，而近年电流型 PWM 技术得到 了飞速发展。相比电压型 PWM,电流型 PWM 具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在 的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。 ---电流型 PWM 集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用，电流型 PWM 控制小功率电源已经取代电压型 PWM 控制小 功率电源。Unitrode 公司推出的 UC3842 系列控制芯片是电流型 PWM 控制器的典型代表。 DC/DC 转换器 ---转换器是开关电源中最重要的组成部分之一，其有 5 种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、 半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图 1 所示。 ---电路工作过程如下：当 M1 导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极 管 VD 处于反偏压状态，所以二极管 VD 截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当 M1 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使 VD 导通，给输出电容 C 充电，同时负载 R 上 也有电流 I 流过。M1 导通与截止的等效拓扑如图 2 所示。

---电流型 PWM ---与电压型 PWM 比较，电流型 PWM 控制在保留了输出电压反馈控制外，又增加了一个电感电流反馈环节，并以此电流反馈作为 PWM 所必须 的斜坡函数。 ---下面分析理想空载下电流型 PWM 电路的工作情况(不考虑互感)。电路如图 3 所示。设 V 导 通，则有 ---L·diL/dt = ui (1) ---iL 以斜率 ui/L 线性增长，L 为 T1 原边电感。经无感电阻 R1 采样 Ud=R1·iL 送到脉宽比较 器 A2 与 Ue 比较，当 Ud>Ue,A2 输出高电平，送到 RS 锁存器的复位端，此时或非门的两 个输入中必有一个高电平， 经过或非门输出 低电平关断功率开关管 V。当时钟输出为高 电平时，或非门输出始终为低电平，封锁 PWM,这段时间由时钟振荡器 OSC 输出脉冲宽度 决定，即 PWM 信号的死区时间。在振荡器输出脉冲下降同时，或非门两输入均为低电平， 经或非门输出为高电平，V 导通。 ---简言之，PWM 信号的上升沿由振荡器下降沿决定，而 PWM 的下降沿由电感电流限值信号和误差信号 Ue 共同决定，最大脉宽的下降沿受振 荡器上升沿控制。图 4 为其工作时序图。 UC3842 简介 -

--Unitrode 公司的 UC3842 是一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、PWM 比较器、PWM 锁存器、振荡器、内部基准电源和 欠压锁定等单元，其结构图如图 5 所示。

---各管脚功能简介如下。 ---1 脚 COMP 是内部误差放大器的输出端，通常此脚与 2 脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 ---2 脚 FEED BACK 是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的 宽度。 ---3 脚 ISENSE 是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如 VMos 管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电 压，此电压送入 3 脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过 1V 时，UC3842 就停止输出， 有效地保护了功率开关管。 ---4 脚 RT/CT 是定时端。锯齿波振荡器外接定时电容 C 和定时电阻 R 的公共端。 ---5 脚 GND 是接地。 ---6 脚 OUT 是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是±lA。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管 VTl 截止时，VT2 导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。 ---7 脚 Vcc 是电源。 当供电电压低于 +16V 时， UC3824 不工作， 此时耗电在 1mA 以下。 输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。 芯片工作后，输入电压可在+10~+30V 之间波动，低于+10V 停止工作。工作时耗电约为 15mA,此电流可通过反馈电阻提供。 ---8 脚 VREF 是基准电压输出， 可输出 精确的+5V 基准电压，电流可达 50mA。 ---UV3842 的电压调整率可达 0.01%,工作频率为 500kHz,启动电 流小于 1mA,输入电压为 10~30V, 基准电压为 4.9~5.1V,工作温度为 0~70℃,输出电流为 1A。 ---开关稳压电源 ---由 UC3842 构成的开关电源电路如 图 6 所示， 为高频变压器。 T 刚开机时， 220V 交流电先通过 PNF 滤掉射频干 扰，再经过整流滤波获得约+300V 直 流电压，然后经 R2 降压后向 UC3842 提供+16V 启动电压。R1 是限流电阻， C1 为滤波电容。正常工作后，自馈线圈 N2 上的高频电压经过 VD1、C1 整流滤波，就作为 UC3842 的正常工作电压。R5、C4 用以改善内部 误差放大器的频率响应，R1 是斜坡补偿电阻。开关频率 。C5 为消噪电容，R10 是过流检测电阻，R7 是 VMOS 开关功率管的栅极限流电阻。 由 C8、VD1、R11、VD2、C9 构成两级吸收回路，用于吸收尖峰电压。VD1 和 VD3 选用恢复二极管 FR305。VD4 为输出级的整流管，采用 肖特基二极管，以满足高频、大电流整流之需要。 ---当 NMOS 管导通时，初级线圈 N1 电流线性增大，磁场

增强，次级线圈中 VD4 截止，由电容 C10 向负载供电；此时，脉冲变压器原边回路 中 VD2 亦截止，N1 这时起存储能量的作用。当 NMOS 管截止后，初级线圈电流减小，磁场减弱，次级线圈回路中 VD4 导通，能量通过 VD4 及 C10 向负载释放，输出直流电压，部分能量由 VD2 向电阻 R12 和电容 C9 释放。

---为保证开关电源输出直流电压不受干扰，电路中提供了稳压电路。一是采用 NMOS 管源极串接电阻 R9,把电流信号变为电压信号，送入 UC3842 作为比较电压，控制激励脉冲的占空比，达到稳压目的。二是变压器 T 中的线圈 N2 间接采样，起到电压反馈作用，N2 间接采样后， 经过 VD1 和 C3 整流，在 C3 上取样，该电压一方面经过 R3 和 R4 分压送到 UC3842 的 2 管脚加到误差放大器 A3 的反相输入端，另一方面 直接送到 UC3842 的 7 管脚， 作为芯片供电电压。 电路刚启动时由输入电压经整流滤波降压给芯片供电， 工作后由反馈电压供电， 因而 UC3842 的电源电压反映了输出电压的变化，起到反馈作用，使输出电压稳定。三是在 UC3842 中，锯齿波发生器输出锯齿波的斜率还与输入电压有关， 当输入电压升高时锯齿波斜率增大，使输出激励脉冲占空比减小，从而使输出电压维持稳定，反之亦然，实际上相当于反馈控制。

总结 ---UC3842 是目前流行的电流型 PWM 信号发生器， 具有精度高、 电压稳定、 外围电路简单、 价格低廉等优点， 广泛应用在输出电压范围是 4.9~ 5.1V、功率为 20~60W 的小型功率开关电源中。