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1、开关电源中 PWM 芯片待机功能的研究叶剑利，胡长生 (浙江大学电气工程学院，浙江 杭州 310027） 摘要：介绍了 L5991 芯片的待机功能，并在由 UC3842 芯片构成的反激开关电源电路的基础上设计了待机电路，使该开关电源电路实现了待机功能。 关键词：脉宽调制；待机；变频 1 引言 待机是指产品已连接到电源上，但处于未运行在其主要功能时的状态。待机的目的就是要降低电源在空载或轻载时的损耗。随着电器和网络产品的普及，电子产品待机状态下的耗电量越来越引起国际节能，环保组织和有关国家的重视。待机能耗不仅浪费电能，而且也制造巨大的环保压力。我们知道开关损耗与电源的工作频率成正比，因此，可以设
2、法在电源输出功率变小乃至于进入待机状态时，使其工作频率降低。这可以通过许多控制功能芯片来实现，例如集成芯片 L5991 等。目前，很多 PWM 芯片还不具有变频的待机功能，因而，我们可以借鉴 L5991 芯片的这个功能电路来实现其他 PWM 芯片的待机功能。 2 L5991 芯片的待机功能电路介绍 L5991 芯片，是由 BCD60II 技术发展而来的，设计目的是用一个固定频率的电流模式控制，实现离线式 DC/DC 电源应用。L5991 是一个标准电流型 PWM 控制器，该控制器具有可编程软启动，输出/输入同步，闭锁（用于过压保护和电源管理），精确的极限占空比控制，脉冲电流限制，用软启动来进行
3、过流保护，和当空载或轻载时使振荡器频率降低的待机功能等优点。 图 1 是该芯片待机功能的基本内部电路。管脚 2 外接两个电阻（ RA和 RB）和一个电容( CT)，照图 1 中连接，是用来分别设置振荡器正常运行的工作频率（ fosc）和待机模式的工作频率（ fsb）。实际上，只要待机信号是高电平，该管脚能通过一个 N 沟道 FET 内部连于参考电压 Vref，所以，定时电容 CT通过 RA和RB放电。当待机信号变低，N 沟道 FET 就关闭且该管脚悬空， CT只通过 RA放电，这样振荡器频率就会变低。VCT在正常运行中由 Vref通过 RA和 RB控制,而在待机时通过 RA来进行调控。当 CT
4、上的电压达到 3V 时，电容会快速地内部放电。当电压降到 1V 时，它开始再次充电。 图 1 L5991 芯片的待机功能基本电路 正常运行中 RT将等于 RA/RB，其频率公式为 fosc （1） 而在待机时 RT=RA，其频率公式为： fSB (2) 式中： KT= L5991 通过对与负载相联系的反馈电压进行检测，在负载降低到一个定义值（由电路中的元器件参数来控制）时自动降低振荡器频率，而当负载增加并超过第二个极限值时恢复其正常工作频率。这样，由L5991 控制工作频率的系统，就可以依靠其待机功能来实现系统待机和工作时的频率转换。当系统待机时，频率降低，可以通过对电路参数的设置使待机频率变
5、得很低，从而降低了开关损耗。 L5991 作为一个电流型控制器，其误差放大器的输出电压 Vcomp，除偏移量外，是跟主电流峰值成比例的。所以，可以通过监控 Vcomp来推测电源的负载情况。 假如，由于负载减小使得主电流峰值降低，且 Vcomp降低到一个固定极限（ VT1）时，振荡器频率将被设置到一个较低的数值上（ fsb）。假如，主电流峰值增加且 Vcomp超过 VT2时，振荡器频率将重置在正常值上（ fosc）。频率的变化引起 Vcomp的变化，并且由于能量平衡原因而方向相反，因而，提供一个恰当的滞后便可以防止振荡器频率在 fsb与 fosc之间变动。 3 反激式开关电源待机功能的实现 根据
6、上述 L5991 芯片的待机原理，我们可以试想，在 UC3842 构成的反激式开关电源的基础上加入待机功能。通过对与负载相联系的反馈电压进行检测，利用芯片内部的误差放大器的输出值，对频率进行改变。 UC3842 芯片的管脚 1 为误差放大器输出，图 2 为芯片待机功能的基本电路。 图 2 芯片待机功能的基本电路 该电路的主要原理是：检测反馈电压经误差放大器后的输出值，通过一个迟滞比较器（施密特触发器），驱动开关管的开通或者关断，来实现 RT的改变，从而改变电源的振荡频率。 我们可以看到，电源处于何种工作状态（正常工作或是待机），取决于迟滞比较器的阈值的设定，而该阈值取决于电源待机和正常工作时的
7、误差放大器的输出值。 在实际设计的电路中，电源电路空载时，输出约为 1.6V，而非轻载时为 1.8V 以上，因而，我们根据这个值来设定迟滞比较器的阈值。迟滞比较器由 555 芯片加上外围的电阻构成，该比较器的电路图如图 3所示。 图 3 迟滞比较器电路 图 3 中，555 芯片的基准电源 VDD为5V，由 UC3842 的脚 8 输出基准电压给定。迟滞比较器的上下阈值计算如下： VTH= VDD （3） VTL= （4） 根据以上确定的阈值，确定各个电阻的阻值。 电源电路负载变化时，根据迟滞比较器的阈值，电源工作在相应的频率。 4 试验结果 根据以上原理搭构了由 UC3842 芯片控制的单端反
8、激式开关电源电路 123，并加入了待机电路，其中取 CT=4700F， RA=RB=20k，验证了以上原理。 图 4 为空载切换成带 5W 负载时的频率变化，频率由 20kHz 变成 40kHz，而当切换回空载时，频率则由 40kHz 变回了 20kHz，如图 5 所示。 图 4 空载切换成带负载时频率变换 图 5 负载切换成空载时的频率变换 图 6 及图 7 给出了正常工作状态和待机工作状态下的电源电路的振荡脉冲和功率 MOSFET 器件的驱动信号波形。从图中可以清楚的看出电源的工作频率。 图 6 正常工作时的振荡脉冲和驱动波形 图 7 待机工作状态下的振荡脉冲和驱动波形 5 结语 由 UC3842 构成的开关电源，完全可以加入待机功能电路来实现待机功能，在空载的时候降低开关频率，有效地减少开关损耗。并且，完全可以在其他 PWM 芯片上也加入类似的检测控制电路来实现待机功能。作者简介 叶剑利，男，2001 级浙江大学电气工程学院电力电子传动专业硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
