電流控制型開關電源的研究

信息產業部電子第14研究所鞠文耀（南京210013）

摘要：介紹電流控制型開關穩壓電源的基本原理，并將其與電壓型開關穩壓電源進行分析和比較，指出電流型控制的優點，最后介紹較為常用的一種電流型控制芯片和典型應用電路。

關鍵詞：電流型電壓型開關電源

Research on the Current Mode Switching Power Supply

Abstract： The paper introduces the basic principle of the current control mode switching power supply, compares it with the voltage control mode switching power supply, and points out its advantages. Finally a current control mode chip and a typical applied circuit. Keywords:Current mode Votage mode SMPS

1引言

　　脈寬調制（PWM）型開關穩壓電源只對輸出電壓進行采樣，實行閉環控制，這種控制方式屬電壓控制型，是一種單環控制系統。而電流控制型DC/DC開關變換器是在電壓控制型的基礎上，增加了電流反饋環，形成雙環控制系統，使得開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有所提高，是目前較為理想的工作方式。

圖1電壓控制型原理

2工作原理

2.1電壓控制型的基本原理

　　電壓控制型原理如圖1所示。電源輸出電壓UO與參考電壓Uref比較放大，得到誤差信號Ue，再與斜波信號比較后，PWM比較器輸出一定占空比的系列脈沖，這就是電壓控制型的原理。其最大缺點是：控制過程中電源電路內的電流值沒有參與進去。眾所周知，開關電源的輸出電流是要流經電感的，故對于電壓信號有90度的相位延遲，然而對于穩壓電源來說，應當考慮電流的大小，以適應輸出電壓的變化和負載的需求，從而達到穩定輸出電壓的目的，因此僅采用輸出電壓采樣的方法，其響應速度慢，穩定性差，甚至在大信號變化時，會產生振蕩，造成功率管損壞等故障。

2．2電流控制型的基本原理

　　電流控制型正是針對電壓控制型的缺點而發展起來的，從圖2可以看到，它除保留了電壓控制型的輸出電壓反饋外，又增加了一個電流反饋環節。所謂電流控制型，就是在脈寬比較器的輸入端將電流采樣信號與誤差放大器的輸出信號進行比較，以此來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。

　　電流控制型的工作原理是采用恒頻時鐘脈沖置位鎖存器，輸出脈沖驅動功率管導通，電源回路中的電流脈沖逐漸增大，當電流在采樣電阻RS上的幅度達到Ue時，脈寬比較器狀態翻轉，鎖存器復位，驅動撤除，功率管截止，這樣逐個檢測和調節電流脈沖，就可達到控制電源輸出的目的。

圖2電流型控制原理

如下：當接通電源后，Ui經R1加至7腳，當7腳電壓上升至17V時，UC3842起振，V4導通，電流通過變壓器T1的1、2端，并經V4，R7到地，此時T1的4、5端感應出負電壓，V5、V3反偏，兩繞組均不耗能，變壓器T1儲能。其振蕩頻率及導通時間由UC3842來控制。當V4由導通轉為截止后，二極管V5、V3正向導通，兩繞組均開始耗能，一組為芯片供電，另一組為負載供電。其穩壓原理如下：若輸出電壓因負載變輕而抬高，此時流過光耦N2的發光二極管發光強度增加，三極管內阻變小，從而使加至2腳的電壓變高，通過與內部誤差放大器比較，使6腳輸出導通

2．3電流控制型的主要優點

　　（1）線性調整率（電壓調整率）非常好，可達0.01％/V，可與優良的線性穩壓器媲美，這是因為UCC的變化立即反映為電感電流的變化，它不經過誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖寬度，再加一級輸出電壓U0至誤差放大器的控制，能使線性調整率更好。

　　（2）明顯地改善了負載調整率，因為誤差放大器專門用于控制由于負載變化而造成的輸出電壓的變化。特別是使輕載時電壓升高的幅度大大減少。從1/3負載至滿載，負載調整率降至8％，2/3負載至滿載，負載調整率降至3％以下。

　　（3）簡化了過流保護電路（電流限制電路）。由于RS上感應出峰值電感電流，所以自然形成脈沖限流電路。這種峰值電感電流感應檢測技術可以靈敏地、精確地限制最大輸出電流，所以整個開關電源中的磁性元件（高頻變壓器）和功率元件（高壓開關管）不必設計較大的余量，就能保證穩壓電源工作可靠，成本降低。

　　（4）誤差放大器的外補償電路簡化，改善了頻響，具有更大的增益－帶寬乘積。由于電感電流是連續的，所以RS上檢測出的峰值電流能代表平均電流。整個電路可看作是一個誤差電壓控制電流源。變換器（誤差放大器）的幅頻特性由雙極點變成單極點，因而可以改善整個穩壓器的特性。

3電流控制芯片及其應用

3.1電流控制芯片的結構

圖3UC3842內部電路圖及引腳圖

　　由于電流控制型較電壓控制型有不可比擬的優越性，所以近年來發達國家競相開發電流控制型芯片，以促使這一技術走向實用化，其中常用的UC3842的外電路接線簡單，所用元件少，并且性能優越，成本低廉，驅動電平非常適合驅動MOS場效應管。圖3示出了UC3842的內部電路框圖和引腳圖。UC3842為固定工作頻率脈寬調制方式，輸出電壓或負載變化時僅調整導通寬度，它共8個腳，各腳功能如下：1腳，內部誤差放大器；2腳，反饋電壓輸入腳，此腳電壓與內部2.5V基準進行比較，產生控制電壓，從而控制脈沖寬度；3腳，電感電流傳感器，當取樣超過1V時，縮小導通脈寬，使電源處于間隙工作狀態；4腳，定時端，外接定時電阻Rt及定時電容Ct，f=1.8/（Rt×Ct）；5腳，地；6腳，輸出端，內部為圖騰柱式,上升、下降時間僅50ns，驅動能力為±1A；7腳，供電輸入，起振后工作電壓為10～13V，低于10V停止工作，功耗為15mW；8腳，內部基準電壓，電壓5V，電流50mA。

3．2UC3842組成的實用電路工作原理

　　由UC3842組成的實用電路見圖4，其工作原理

圖4UC3842組成的實用電路圖

寬度變窄，達到穩壓目的。

　　過流保護原理：當負載電流超過額定值或輸出短路，引起開關管V4電流增加，R7上的電壓反饋至3腳，當R7上的電壓大于1V時，通過內部電流放大器使導通寬度變窄，輸出電壓下降，同時也使UC3842工作電壓下降。當下降至整定電壓以下時，過流保護電路工作，達到保護功率管的目的。短路現象消失后，電源自動恢復正常工作。

　　過壓保護：當因某種原因使輸出電壓過高時，穩壓管V6導通，從而觸發晶閘管V7導通，使輸出端短路，可見過壓保護是以過流保護的形式出現的。

3．3實例

　　現舉例做一臺輸入為DC28V，輸出為5V/5A的電源來說明由UC3842為控制芯片的電流控制型開關電源變壓器的設計方法和主要元器件的選擇依據。

　　設定輸入電壓U1變化范圍為18V～30V，輸出為5V/5A，占空比δ=0.4,振蕩頻率為f=70kHz,周期T=1/f=14.29μs，導通時間Ton=δ×T=5.71μs,變壓器效率η=95％，則變壓器一次峰值電流　式中K為一次電流的峰值與最小值的比，K值增大，表示電流的峰值增大，從而增加開關元件的損耗；相反，如果K值小，雖然會減小元件上的功耗，但變壓器會增大。所以輸入電壓最低、輸出功率最大時K的最佳值為0.5～0.6。這里取K=0.6。

　　設5V輸出電流IO的過流設定點為IOmax的120％，Uf=0.5V為輸出二極管的正向壓降，Ul=0.3V為包含輸出扼流圈在內的二次線圈的壓降。

　　變壓器一次電流峰值為　二次線圈對一次線圈的匝比n21為　一次線圈初級電感為　　變壓器選用EI28磁心，有效截面積SC=85mm2最大磁通密度Bm=0.2T

　　一次線圈的匝數為N1=N2/n21=14匝

　　UC3842的工作電壓取12V，N3=(12/5.8)×7=14匝

　　開關管V4的漏源間的電壓最高值UDS=（U2/n21）＋U1max=(5.8/0.484)＋30=42V

　　考慮一些尖峰電壓的影響，開關管選擇耐壓為200V、最大導通電流為10A的場效應管，如IRF250。

　　輸出整流二極管的反向電壓Udr=Uo＋U1max×n21=5＋30×0.484=19.52V

　　考慮一些尖峰電壓的影響，二極管選擇耐壓為45V、最大導通電流為10A的肖特基二極管，如SD51。

4結束語

　　由UC3842組成的電源，最大的優點是：電路簡單，外圍元件少，不需外加輔助電源，過流保護功能強，在整個調試過程中，從未發生過功率管損壞的情況。而且電源功率電路的設計和以往電壓控制型完全相同，因此，對于熟悉開關電源技術的人來說，從電壓控制型轉為電流控制型并非難事，而這樣做之后，電源的性能可以上一個臺階。