??? 摘? 要：電流控制" title="電流控制">電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3842已廣泛應(yīng)用于反激式開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，通過一實(shí)例給出反激式開關(guān)電源控制環(huán)路的一般設(shè)計(jì)方法。
??? 關(guān)鍵詞：UC3842?開關(guān)電源?控制環(huán)路

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??? 在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中，控制環(huán)路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定與否，因此設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的控制環(huán)路，對開發(fā)一個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)" title="電源系統(tǒng)">電源系統(tǒng)是至關(guān)重要的。開關(guān)電源的控制方式" title="控制方式">控制方式有電流控制方式和電壓控制方式兩種。電源系統(tǒng)的傳遞函數(shù)隨控制方式的不同而有很大差異,因此在環(huán)路設(shè)計(jì)分析時(shí),應(yīng)獨(dú)立分開。本文對基于UC3842構(gòu)建的開關(guān)電源的控制環(huán)路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，論述開關(guān)電源電流型控制環(huán)路設(shè)計(jì)的一般方法。
1 UC3842簡述
??? UC3842是美國Unltmde公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路如圖1 所示,它集成了振蕩器、具有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路及PWM 鎖存器電路。

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??? 其應(yīng)用實(shí)例如圖2所示，輸入為85V～265V交流，輸出為12V/5A，初級(jí)電感量為370?滋H，初級(jí)匝數(shù)為40T，次級(jí)匝數(shù)為5T，開關(guān)頻率為100kHz。啟動(dòng)電路由R105和C103構(gòu)成,C103經(jīng)過R105充電到16V時(shí),UC3842有輸出信號(hào),使MOS管Q1導(dǎo)通,能量存貯在變壓器T1中,T1的一次測電流通過電阻R5檢測并與UC3842內(nèi)部提供的1V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,當(dāng)達(dá)到這一電平時(shí),開關(guān)管Q1關(guān)斷,所有變壓器的繞組極性反向,輸出整流二極管正向偏置,存儲(chǔ)于T1中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦小?dòng)結(jié)束后,輸出電壓信號(hào)經(jīng)光耦回送到誤差放大器的反向端(腳2)與UC3842內(nèi)部的25V基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度,從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制。

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2 控制環(huán)路的設(shè)計(jì)
??? 通常，主電路是根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)時(shí)一般不會(huì)提前考慮控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。在這里，假設(shè)主功率部分已經(jīng)全部設(shè)計(jì)完成，主要介紹環(huán)路設(shè)計(jì)。環(huán)路設(shè)計(jì)一般方法為：
??? (1) 畫出已知部分的頻響曲線。
??? (2) 根據(jù)實(shí)際要求和各限制條件確定帶寬頻率，即增益曲線的0dB頻率。
??? (3) 根據(jù)帶寬頻率決定補(bǔ)償放大器的類型和各頻率點(diǎn)。使帶寬處的曲線斜率為20dB/decade,畫出整個(gè)電路的頻響曲線。
??? 圖3是反激電流方式控制環(huán)路圖，其開環(huán)傳遞函數(shù)為K=(K_mod×K_pwr×K_LC×K_fb)×K_ea=K₁×K_ea，K_pwr是功率部分，K_LC是輸出LC濾波部分，K_fb是反饋分壓部分，K_ea是反饋補(bǔ)償部分和光耦部分，K_mod是調(diào)制器部分。

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??? 環(huán)路要穩(wěn)定，必須的條件是環(huán)路增益" title="環(huán)路增益">環(huán)路增益為1(0dB)，整個(gè)環(huán)路的相移小于360°。如果相移接近360°，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題：(1)相移可能因?yàn)闇囟取⒇?fù)載及分布參數(shù)的變化而達(dá)到360°產(chǎn)生振蕩；(2)接近360°，電源的階躍響應(yīng)（瞬時(shí)加減載）表現(xiàn)為強(qiáng)烈振蕩，使輸出達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間加長，超調(diào)量增加。所以環(huán)路要留一定的相位裕量，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q=1時(shí)輸出是最好的，所以相位裕量的最佳值為52°左右，在設(shè)計(jì)過程中一般取45°以上。
??? 根據(jù)圖3可知，除補(bǔ)償放大器增益Kea外，圖2所示電源系統(tǒng)的環(huán)路增益函數(shù)為：
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??? 式中，D=NV₀/（Vin+NV₀),C為輸出電容，R₀為負(fù)載電阻，N為匝數(shù)比，L_p為初級(jí)電感，R_sense為電流檢測電阻。
??? 為了避免引起過多的相移，一般取增益帶寬為其工作頻率的1/4～1/5。據(jù)此，可以計(jì)算出環(huán)路的增益。一般情況下，環(huán)路增益G(s)在0dB時(shí)的頻率與預(yù)期設(shè)定的增益帶寬是有差異的，這就需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。常用的電流控制補(bǔ)償方法有主極點(diǎn)補(bǔ)償、極零點(diǎn)補(bǔ)償、雙極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)償，這要根據(jù)實(shí)際情況確定使用何種補(bǔ)償方法。圖4為補(bǔ)償放大部分。圖中C201、C202、R202構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。可分以下兩種情況進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

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??? (1) 輸出電容ESR較大
??? 輸出濾波電容的內(nèi)阻比較大，自身阻容形成的零點(diǎn)比較低，這樣在帶寬處的相位滯后比較小。以圖2所示電源系統(tǒng)為例，輸出濾波電容為1000μF/16V，ESR=130mΩ時(shí)，其環(huán)路增益波特圖如圖5所示，設(shè)帶寬為8kHz，從圖中可以看出8kHz處增益曲線為水平，所以可以直接用單極點(diǎn)補(bǔ)償，這樣可滿足-20dB/decade的曲線形狀。省掉補(bǔ)償部分的R₂₀₂、C₂₀₂。

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??? 補(bǔ)償后在8kHz處環(huán)路增益為0dB。圖6(a)為其結(jié)果仿真圖。

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??? (2) 輸出電容ESR較小
??? 輸出濾波電容為1000μF/16V，ESR=30mΩ時(shí)，由于輸出濾波電容的內(nèi)阻比較小，自身阻容形成的零點(diǎn)就比較高，這樣在帶寬處的相位滯后比較大。如果還用單極點(diǎn)補(bǔ)償，則帶寬處相位裕量就會(huì)偏小。可采用雙極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)償來提升。三個(gè)點(diǎn)的選取，第一個(gè)極點(diǎn)在原點(diǎn)，零點(diǎn)一般取在帶寬的1/5左右，這樣在帶寬處提升相位78°左右，此零點(diǎn)越低，相位提升越明顯，但太低了就會(huì)降低低頻增益，使輸出調(diào)整率降低。第二個(gè)極點(diǎn)的選取一般用來抵消ESR零點(diǎn)或RHZ零點(diǎn)引起的增益升高，保證增益裕度。在這里用它來抵消ESR零點(diǎn)，使帶寬處保持-20dB/ decade 的曲線形狀。在此例中，兩個(gè)補(bǔ)償極點(diǎn)的位置分別取f₁=0Hz, f₂=1.6kHz，零點(diǎn)為f₀=5.1kHz。圖6(b)為其結(jié)果仿真圖。
???? 采用UC3842設(shè)計(jì)的電流控制型開關(guān)電源，相對于電壓控制模式，具有更好的電源調(diào)整率、更簡單的零極點(diǎn)補(bǔ)償電路。實(shí)驗(yàn)證明，將控制論與反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)結(jié)合起來，通過設(shè)計(jì)合適的相位裕量來保證開關(guān)電源穩(wěn)定性，具有較好的通用性，而且在實(shí)際應(yīng)用中也取得了很好的效果。
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