一種電流控制型開關電源的電路設計

王坤航 劉華

摘 要：該設計根據電流控制型脈寬調制開關穩壓電源的研究現狀，提出了一個電流控制型脈寬調制開關穩壓電源的設計方案。通過對其進行電壓調整率及負載調整率的測試，結果表明：該電流控制型脈寬調制開關穩壓電源在輸入交流電壓185V至250V時，可輸出直流電壓10V。該電源穩壓效果良好、過流及短路保護方法合理、電壓調整率和負載調整率均低于3%。

關鍵詞：電流控制型；電壓調整率；負載調整率

中圖分類號：TM564 文獻標志碼：A 文章編號：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

開關電源[1]中有兩種常見的控制方式：電流控制和電壓控制。問世于20世紀70年代后期的電流控制型脈寬調制技術，克服了傳統的電壓控制型脈寬調制技術的缺點，提高了開關電源系統的瞬態響應，同時使開關電源工作起來更穩定。

目前市場上應用最廣泛的電流控制型脈寬調制器是美國Unitrode公司生產的高性能電流控制型脈寬調制器芯片UC3842[2]。該芯片具有外圍電路簡單、性能優越、價格低廉等優點，是當下比較理想的新型脈寬調制器。但是隨著開關電源頻率的提高，由它所構成的開關電源的外圍電路卻出現了很多問題[3]，因此，研究UC3842的外圍電路以及對其進行優化設計，使優化后的電路性能更可靠、更穩定，這對電流控制型開關穩壓電源的發展有深遠意義。

1 電流控制型脈寬調制電路

1.1 控制芯片

電流控制和電壓控制是高頻開關穩壓電源中常見的兩種控制方式[4]。電流控制相對電壓控制來說電路比較復雜，但是響應速度快，因此，電流型控制芯片被廣泛地應用于隔離式單端開關電源以及DC/DC變換器中。

如圖1所示，為電流控制型脈寬調制芯片UC3842的內部電路圖[5]，表1為引腳功能說明[6]。

1.2 控制原理

常見的開關電源由主電路、控制電路、檢測電路及輔助電源四部分組成[7]。主電路決定開關電源的工作模式，可根據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；根據檢測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，本設計所使用的控制電路為電流控制型，采用了電流電壓雙閉環串級結構，內部是電流環，外部是電壓環。其控制原理是：將給定的電壓Vi與反饋電壓Vr進行比較得到電壓誤差，該電壓誤差經電壓調節器輸出后，作為另一個給定的電壓信號Ve與經采樣電阻采集的信號Vs進行比較，輸出一個可調節的PWM脈沖信號，從而使得輸出的電壓信號VO保持恒定[9]。

2 電源設計

2.1 設計指標

明確各項性能指標是設計電源的前提，該電源的設計指標如表2：

2.2 系統結構

如圖3所示，系統整體結構包括：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、高頻變壓器與開關管。

系統工作過程：交流電壓Vi經過隔離降壓變壓器后，將220V交流電變為70V左右的交流電，再經橋式整流電路，得到約為100V的直流電壓。此時的直流電壓經過高頻變壓器改變幅值，并由變壓器的次級傳遞到輸出整流濾波電路，得到期望的輸出電壓Vo。此過程中，由于反激式變換器在開關管關斷期間，一次側會存有大量的能量，為了保護電路，需要在一次側加入一個鉗位電路，使整個電路能夠正常工作；同時，為了提高電路的工作效率，在開關管旁路增加一個緩沖回路，用來減少開關管的損耗。為了防止電路工作過程中在輸入電壓波動或負載變化而導致輸出電壓不穩定的情況發生，在電路輸出端加入一個反饋回路，通過將輸出端的采樣電壓與基準電壓進行比較，并把反饋信號輸送給控制電路，控制PWM波的占空比，從而控制開關管的開通與關斷，使輸出電壓穩定[10]。

2.3 設計方案

如圖4所示，220V交流電經變壓器T1降壓成70V后接進線端，滑動變阻器RP1起限流保護作用，70V的交流電經整流橋整流以及電解電容C8濾波后變為100V左右的脈動直流輸入電壓，記做Vd。此電壓分為兩路：一路經電阻R6、滑動變阻器RP2降壓后為UC3842提供直流啟動電壓；另一路經變壓器“3”和“4”引腳抽頭構成的初級線圈為開關管的漏極提供驅動電壓。R9、C6與快恢復二極管VD6構成變壓器緩沖網絡吸收回路，用以對變壓器初級的漏電流、次級反饋到初級的尖峰電流進行吸收。

變壓器的“1”和“7”引腳抽頭，組成反饋線圈，在開關管關斷時，反饋線圈上產生感應電壓，經快恢復二極管VD5，為UC3842提供工作電壓。R8是電流檢測電阻，R11是電壓負反饋電阻，用于檢測電路輸出端的工作狀況，如過流、短路等。UC3842的4腳定時端接入一個由R4、Q1和R1組成的射極跟隨器，可避免系統在連續的電感電流條件下工作時出現不穩定的情況。取樣電阻旁邊串聯的電感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生的尖峰電壓。反饋回路使用三端可調分流基準源與光電耦合器直接對輸出電壓進行采樣[13]，可以使輸出電壓降低時，UC3842的6腳驅動信號輸出的占空比減小，輸出電壓上升。快恢復整流二極管V4對變壓器“5”和“6”引腳抽頭構成的輸出電路進行整流，電容C10濾波，滑動變阻器RP3和電阻R17做負載。

3 性能測試

3.1 電壓調整率測試

如圖4所示，將滑動變阻器RP1緩慢右旋使輸入直流電壓Vd減小約20%，用萬用表測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，如此反復測量3次，記錄如表3并計算電壓調整率。

3.2 負載調整率測試

如圖4所示，將滑動變阻器RP3右旋到底，此時負載約增加25%，用萬用表測量輸出電壓改變前后的數值（端口3和端口4）V3和V4，反復測量3次，記錄如表4并計算負載調整率。

4 結束語

該設計利用電流控制型脈寬調制芯片，通過制定設計方案，繪制電路圖并制作PCB板，焊接電路以及對電路進行工作性能測試，最終完成了設計指標。

該設計使用了較低漏感的高頻變壓器，并在取樣電阻的旁邊串聯了抑制變壓器漏感的電感。芯片定時端加上了射極跟隨器以避免系統在連續的電感電流條件下工作時出現不穩定的情況。反饋回路使用三端可調分流基準源與光電耦合器直接對輸出電壓進行采樣，提高了采集數據的準確性。電路不僅能夠輸出直流電壓10V，而且該電源穩壓效果良好、過流及短路保護方法合理、電壓調整率和負載調整率均低于3%。

參考文獻：

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[2]肖鐵.基于UC3842輸出DC5V/5A的開關電源設計[J].科技展望，2016，26（19）：166.

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[4]尹佳山.一種基于UC3842芯片的開關電源設計[J].廣播電視信息，2014（09）：68-69+71.

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[8]Zhaoyang Yan， Kun Zhang， Jianxia Li，etc.A Novel Absolute Value Logic SPWM Control Strategy Based on De-Re-Coupling Idea for High Frequency Link Matrix Rectifier[J]. Industry Applications， IEEE Transactions on， 2014，Vol.50（3）：2243-2257.

[9]Janusz Zare？誰bski， Krzysztof Górecki. Spice-aided modelling of the UC3842 current mode PWM controller with selfheating taken into account[J]. Microelectronics Reliability，2006，47（7），1145-1152.

[10]張召朋.基于UC3842的多路輸出電壓型開關電源設計[D].西安電子科技大學，2013.