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1、电流控制型开关电源的研究信息产业部电子第 14 研究所鞠文耀（南京 210013）摘要：介绍电流控制型开关稳压电源的基本原理，并将其与电压型开关稳压电源进行分析和比较，指出电流型控制的优点，最后介绍较为常用的一种电流型控制芯片和典型应用电路。关键词：电流型电压型开关电源Research on the Current Mode Switching Power Supply Abstract： The paper introduces the basic principle of the current control mode switching power supply, compares i
2、t 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 引言脉宽调制（PWM）型开关稳压电源只对输出电压进行采样，实行闭环控制，这种控制方式属电压控制型，是一种单环控制系统。而电流控制型 DC/DC 开关变换器是在电压控制型的基础上，增加了电流反馈环，形成双环控制系
3、统，使得开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有所提高，是目前较为理想的工作方式。图 1 电压控制型原理2 工作原理2.1 电压控制型的基本原理电压控制型原理如图 1 所示。电源输出电压 UO 与参考电压 Uref 比较放大，得到误差信号 Ue，再与斜波信号比较后，PWM 比较器输出一定占空比的系列脉冲，这就是电压控制型的原理。其最大缺点是：控制过程中电源电路内的电流值没有参与进去。众所周知，开关电源的输出电流是要流经电感的，故对于电压信号有 90 度的相位延迟，然而对于稳压电源来说，应当考虑电流的大小，以适应输出电压的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的，因此仅采用输出电压
4、采样的方法，其响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变化时，会产生振荡，造成功率管损坏等故障。22 电流控制型的基本原理电流控制型正是针对电压控制型的缺点而发展起来的，从图 2 可以看到，它除保留了电压控制型的输出电压反馈外，又增加了一个电流反馈环节。所谓电流控制型，就是在脉宽比较器的输入端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的峰值电流跟随误差电压变化。电流控制型的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大，当电流在采样电阻 RS 上的幅度达到 Ue 时，脉宽比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止
5、，这样逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。图 2 电流型控制原理如下：当接通电源后，Ui 经 R1 加至 7 脚，当 7 脚电压上升至 17V 时，UC3842 起振，V4 导通，电流通过变压器 T1 的 1、2 端，并经 V4，R7 到地，此时 T1 的 4、5 端感应出负电压，V5、V3 反偏，两绕组均不耗能，变压器 T1 储能。其振荡频率及导通时间由 UC3842 来控制。当 V4 由导通转为截止后，二极管 V5、V3正向导通，两绕组均开始耗能，一组为芯片供电，另一组为负载供电。其稳压原理如下：若输出电压因负载变轻而抬高，此时流过光耦 N2 的发光二极管发光强度增加，三极
6、管内阻变小，从而使加至 2 脚的电压变高，通过与内部误差放大器比较，使 6 脚输出导通23 电流控制型的主要优点（1）线性调整率（电压调整率）非常好，可达 0.01/V，可与优良的线性稳压器媲美，这是因为UCC 的变化立即反映为电感电流的变化，它不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再加一级输出电压 U0 至误差放大器的控制，能使线性调整率更好。（2）明显地改善了负载调整率，因为误差放大器专门用于控制由于负载变化而造成的输出电压的变化。特别是使轻载时电压升高的幅度大大减少。从 1/3 负载至满载，负载调整率降至 8，2/3 负载至满载，负载调整率降至 3以下。（3）简化了过流保护电路
7、（电流限制电路）。由于 RS 上感应出峰值电感电流，所以自然形成脉冲限流电路。这种峰值电感电流感应检测技术可以灵敏地、精确地限制最大输出电流，所以整个开关电源中的磁性元件（高频变压器）和功率元件（高压开关管）不必设计较大的余量，就能保证稳压电源工作可靠，成本降低。（4）误差放大器的外补偿电路简化，改善了频响，具有更大的增益带宽乘积。由于电感电流是连续的，所以 RS 上检测出的峰值电流能代表平均电流。整个电路可看作是一个误差电压控制电流源。变换器（误差放大器）的幅频特性由双极点变成单极点，因而可以改善整个稳压器的特性。3 电流控制芯片及其应用3.1 电流控制芯片的结构图 3UC3842 内部电路
8、图及引脚图由于电流控制型较电压控制型有不可比拟的优越性，所以近年来发达国家竞相开发电流控制型芯片，以促使这一技术走向实用化，其中常用的 UC3842 的外电路接线简单，所用元件少，并且性能优越，成本低廉，驱动电平非常适合驱动 MOS 场效应管。图 3 示出了 UC3842 的内部电路框图和引脚图。UC3842 为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整导通宽度，它共 8 个脚，各脚功能如下：1 脚，内部误差放大器；2 脚，反馈电压输入脚，此脚电压与内部 2.5V 基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；3 脚，电感电流传感器，当取样超过 1V 时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙
9、工作状态；4 脚，定时端，外接定时电阻 Rt 及定时电容 Ct，f=1.8/（RtCt）；5 脚，地；6 脚，输出端，内部为图腾柱式,上升、下降时间仅 50ns，驱动能力为1A；7 脚，供电输入，起振后工作电压为 1013V，低于 10V停止工作，功耗为 15mW；8 脚，内部基准电压，电压 5V，电流 50mA。32UC3842 组成的实用电路工作原理由 UC3842 组成的实用电路见图 4，其工作原理图 4UC3842 组成的实用电路图宽度变窄，达到稳压目的。过流保护原理：当负载电流超过额定值或输出短路，引起开关管 V4 电流增加，R7 上的电压反馈至 3脚，当 R7 上的电压大于 1V
10、时，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，同时也使 UC3842工作电压下降。当下降至整定电压以下时，过流保护电路工作，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。过压保护：当因某种原因使输出电压过高时，稳压管 V6 导通，从而触发晶闸管 V7 导通，使输出端短路，可见过压保护是以过流保护的形式出现的。33 实例现举例做一台输入为 DC28V，输出为 5V/5A 的电源来说明由 UC3842 为控制芯片的电流控制型开关电源变压器的设计方法和主要元器件的选择依据。设定输入电压 U1 变化范围为 18V30V，输出为 5V/5A，占空比 =0.4,振荡频率为 f=70kH
11、z,周期T=1/f=14.29s，导通时间 Ton=T=5.71s,变压器效率 =95，则变压器一次峰值电流 式中 K为一次电流的峰值与最小值的比，K 值增大，表示电流的峰值增大，从而增加开关元件的损耗；相反，如果 K 值小，虽然会减小元件上的功耗，但变压器会增大。所以输入电压最低、输出功率最大时 K 的最佳值为 0.50.6。这里取 K=0.6。设 5V 输出电流 IO 的过流设定点为 IOmax 的 120，则此时变压器的输出功率为 式中 Uf=0.5V 为输出二极管的正向压降，Ul=0.3V 为包含输出扼流圈在内的二次线圈的压降。变压器一次电流峰值为 二次线圈对一次线圈的匝比 n21 为
12、 一次线圈初级电感为 变压器选用 EI28 磁心，有效截面积 SC=85mm2 最大磁通密度 Bm=0.2T二次线圈的匝数为 一次线圈的匝数为N1=N2/n21=14 匝UC3842 的工作电压取 12V，N3=(12/5.8)7=14 匝开关管 V4 的漏源间的电压最高值UDS=（U2/n21）U1max=(5.8/0.484)30=42V考虑一些尖峰电压的影响，开关管选择耐压为 200V、最大导通电流为 10A 的场效应管，如 IRF250。输出整流二极管的反向电压Udr=UoU1maxn21=5300.484=19.52V考虑一些尖峰电压的影响，二极管选择耐压为 45V、最大导通电流为
13、10A 的肖特基二极管，如 SD51。4 结束语由 UC3842 组成的电源，最大的优点是：电路简单，外围元件少，不需外加辅助电源，过流保护功能强，在整个调试过程中，从未发生过功率管损坏的情况。而且电源功率电路的设计和以往电压控制型完全相同，因此，对于熟悉开关电源技术的人来说，从电压控制型转为电流控制型并非难事，而这样做之后，电源的性能可以上一个台阶。参考文献1 叶慧贞杨兴洲，新颖开关稳压电源，国防工业出版社，1999 年 1 月2 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，国防工业出版社，1998 年 6 月作者简介鞠文耀男，1989 年毕业于北京理工大学自动控制系，同年分配到南京电子技术研究所（即南京第十四研究所）电源室工作，工程师，现主要从事直流稳压电源与交流稳压电源的研究与开发，为多个军民品配套研制电源。
