开关电源-控制电路的设计

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1、第8章 控制电路的设计引言 8.1 控制电路结构和主要组成部分的原理 8.2 电压模式控制电路的设计 8.3 峰值电流模式控制电路的设计 8.4 平均电流模式控制电路的设计1 引 言v开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主 要处理电信号，属于“弱电”电路，它控制着主 电路开关器件的工作。电源的很多指标，如稳压 稳流精度、纹波、输出特性等也与控制电路相关 。控制电路的设计质量对电源的性能至关重要， 是设计工作的重点。v控制电路功能众多，相对复杂，设计内容复杂， 周期较长，甚至可能出现反复，有时一些参数的 确定还需要通过试验来得到。28.1 控制电路结构和主要组成部分的原理v控制电路的结构调节

2、器PWM驱动基准源保护并机均流反馈封锁信号去主电路电压/电流/温度连接并机线u* i*uf if图（8-1）3一、驱动电路v驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电 源的可靠性、效率等性能密切相关。驱动电路需 要有很高的快速性，能提供一定的驱动功率，并 具有较高的抗干扰和隔离噪声能力。二、调节器电路v调节器的作用是将给定量和反馈量进行比较和运 算，得到控制量。调节器的核心是运算放大器。4三、并机均流电路v开关电源经常需要并机组成系统运行，以获得更 大的容量和更高的可靠性。v根据各种负载对供电可靠性要求的不同，电源可 以采用以下几种不同的运行方式：单机运行v采用单一电源向负载供电。v特点：结构

3、简单、成本低、但可靠性不高， 一旦电源发生故障，供电中断。5并机均流控制的原理并联运行vN个电源并联构成的电源系统向负载供电，每 个电源的功率为负载所需功率的1/N。v特点：每个电源发生故障时，供电不中断，仅 是最大供电能力有所降低。电源数量多，成本 上升。用于可靠性要求较高的场合。6并联冗余运行vN+M个电源并联工作，每个电源的功率为 负载最大功率的1/N。运行时，每个电源平 均承担负载功率。v特点：发生故障的电源数量小于等于M时， 电源系统仍能提供负载所需的全部功率。电 源数量多，成本更高。用于可靠性要求非常 高的场合。v为了达到可靠性目的，应尽量使并联运行的每个 电源的输出电流分配均衡。

4、7v电源并联后输出电流不相等的原因：在输出电压相同的条件下，电压调节器误差信号 不同，这反映了电路参数的分散性。v为了补偿这种分散性，使各电源的输出电流相等， 并且电压调节器误差信号都等于零。必须采取控制 措施设置均流电路。v并联均流方式可以分为：利用输出电压调整率均流（电源输出电压随输出电 流变化而变化的程度，即两者之比称为输出电压调整率 ，它反映了电源等效内阻的大小。人为增大各电源等效 内阻，并保证一定的一致性。）8主从方式均流（主控制器稳压，其电压调节器输出作为 其他从控制器的电流参考信号，其他从电源按照电流源 运行，均流精度高，可达0.5%。缺点是主控制器一旦损 坏，则系统瘫痪。）无主

5、或自动选主的均流方式（基本思路是在电源间通过 并机电缆或称均流总线来传递均流信号，每个电源根据 均流信号调节自身输出电流，达到相互一致目的。）v最大电流自动均流法v自动选主的主从均流法等9v最大电流自动均流法原理v均流母线电压正比于输出电流最大的电源的电流，即均流信 号为各电源电流的最大值。v各电源调节自身电流方法：均流信号与本电源反馈电流信号 之差乘以比例系数，加到本电源的电压给定中。当误差增大 时，本电源电压给定略微提高，使得本电源开环电压提高， 分得更多的负载电流。v缺点：通过调节电压给定来调节输出电流，会造成输出电压 的波动，影响稳压精度；同时若比例系数过大，则会造成输 出电压竞相上升

6、，可能导致严重事故。若限定电压范围，则 当均流电路调节能力达到极限时，电源只能退出均流。10自动选主的主从均流法原理 各电源公用一个电压调节器，其输出作为电源的电流给 定，每个电源含有电流调节器，由于每个电源的电流给 定相同，因此各自输出电流是一样的。实际系统中，每 个电源都含有电压调节器，在运行时电压调节器都处于 工作状态，其输出通过均流母线仲裁处最大值，对应最 大值的是主机，其他电源为从机。v注意：均流电路的设计，不仅要使各并联开关电源模块在正 常工作情况下能够均流运行，而且应该考虑当本模块发生故 障时，不应显著影响其他模块的工作。11四、保护电路v控制电路应包含保护电路，保护电路包含自身

7、保护 和负载保护两方面的功能。一旦出现故障，立即使 开关电路停止工作，并以声或光的形式报警，以保 证在任何情况下，自身不损坏，并且不损坏负载。自我保护功能：v输入过电压v系统过热v输入欠电压、过电流负载保护功能：v输出过电压v输出欠电压 12v输入过电压、输入欠电压、过热保护电路中，应 采用滞环比较器，以便在故障情况消失后，电源 可以自动恢复工作。v过电流保护电路应采用锁存器将过电流信号锁存 。并且，锁存器应附加复位电路，以便在故障排 除后重新开始工作，或者采用时间较长的延时复 位电路，以降低过电流保护的频度。v输出过电压和欠电压通常由电源或负载的严重故 障引起，也应采用锁存器将故障信号锁存，

8、一旦 出现，应立即停机报警，等待人工干预。13v典型的过电压保护电路vR1、R2构成的分压电路作为输入电压Ui的检测电路，A点电压为UA=UiR2/(R1+R2)，R3、R4、 RP与比较器C1构成滞环比较电路，环宽为UCCR3/R4。调节RP可以改变过电压保护的限值。v原理：UA*R4/(R3+R4)高于UH比较器翻转输出电压Uo变为电 源电压UCC。(虚断)输入电压回落，UA+R3*(UCC-UH)/R4低于UH比较器再次 翻转输出电压Uo回到零。（虚短）图（8-2）+-R1R2UiAR3R4RPUoUccUccUHC1GNDGND14v典型的过电流锁存电路v电流互感器的一次侧串入主电路中

9、，变压器一次侧支路或开关支路，用以检测电流。R1是电流互感器二次侧的电流采样电阻，uR1= R1iS/n，n为电流互感器二次绕组与 一次绕组的匝数比。v原理:主电路电流增大uR1= R1iS/n增大uR1大于UH C1输出由低电平变为高电平RS触发器翻 转Q变为高电平封锁PWM输出主电路中开 关全部关断主电路各支路电流为零保护。复位去封锁 PWM输出is+ -SRQ1:n 电流 互感器R1uR1 uH图（8-3）C115v一次电流保护后，若要重启电路，则必须在RS触 发器的R端施加复位信号，使RS触发器的输出状态 重新变为低电平，主电路重新开始工作。16五、PWM控制电路v作用:将在一定范围内

10、连续变化的控制量(模拟信 号)转换为PWM信号，该信号的开关频率固定，占 空比跟随输入信号连续变化。v常用的集成PWM控制器:SG3525、TL494和UC3825、 UC3842/3/4/5/6、UC3875/6/7/8/9等。v集成PWM控制器电压模式控制器电流模式控制器v峰值电流模式v平均电流模式v电荷模式17v开关电源的控制方式电压模式：电压反馈控制环电流模式：电压反馈控制外环，电流控制内环v电流模式控制方式的基本思想 ：在输出电压闭环的控制系统中，增加了直接或间 接的电流反馈控制。v电流控制方式的优点：（1）系统的稳定性增强，稳定域扩大。（2）系统动态特性改善。输出电压中由输入电压

11、引入的低频纹波被完全消除。（3）具有快速限制电流的能力。采用电流控制模 式后，电源中可以不必再设置输出短路保护电路。 18v电压控制模式的结构图+u*VRPWMufLCRL+u*VRPWMufLCRL+i*IRifk电流控制模式的结构图19v峰值电流模式v峰值电流模式控制系统的结构图如图a，主要的波 形如图b。(a)(b)+ Ui -LS+-R Q SiS iRiSiLCLKttttCLK0SiRiRiLiSt0t1000 t220v基本原理开关的开通由CLK信号控制，CLK信号每隔一 定时间使RSFF置位，Q=1开关开通iL上升 至给定值iR比较器输出信号翻转RSFF复 位,Q=0开关复位。

12、v峰值电流模式控制采用电流给定信号与电感电流 直接比较的方法，并含有RS触发电路。v峰值电流模式优点：控制系统稳定性好、响应速 度快、实现容易、并能限制电路中的峰值电流， 从而保护器件，因此得到了广泛应用，是目前使 用最为广泛的电流模式控制方法。21v峰值电流模式的缺点：该方法控制的是电感电流的峰值。对很多需要精 确控制电感电流平均值的开关电源来说，是不允 许的。峰值电流模式控制电路中，将电感电流直接与电 流给定信号比较，但电感电流中通常含有一些开 关过程的噪声信号，容易造成比较器的误动作， 使电感电流发生不规则的波动。v针对这些问题，提出了平均电流模式控制。22v平均电流模式控制v平均电流模

13、式控制的原理v该模式采用PI调节器作为电流调节器，并将调节器 输出的控制量uc与锯齿波信号us相比较，得到周期 固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通 与断。+ Ui -S+-+-usucLSiL -iRiL+-+-us23v常见的集成PWM控制器内部电路的典型结构如图图（8-4）+-基准源欠电压保护封锁振荡器 分频器驱动A驱动B PWM比较器 +-ucEA24v通常集成PWM控制器将误差电压放大器（EA）、振 荡器、PWM比较器、驱动、基准源、保护电路等常 用开关电源控制电路集成在同一芯片中，形成功 能完整的集成电路：基准源：提高稳定度的基准电压，作为电路中 给定的基准。振荡器：产生

14、固定频率的时钟信号，以控制开 关频率。误差电压放大器：实际上是一个运放，用来构 成电压或电流调节器。PWM比较器：将调节器输出信号uc转换成PWM脉 冲的占空比。25驱动电路：结构通常为推挽结构的跟随电路， 用来提供足够的驱动功率，以有效地驱动主电 路的开关器件。欠电压保护电路：对集成PWM控制器的电源实施 监控，一旦电源跌落至阈值以下时，就封锁输 出驱动脉冲，以免电源掉电过程中，输出混乱 的脉冲信号而造成开关器件的损坏。封锁电路：由外部信号控制，一旦有外部信号 出发，立即封锁输出脉冲信号，给外部保护电 路提供了一个可控的封锁信号。261.UC1842/2842/3842v采用峰值电流模式控制

15、，专门用于构成正激型、 反激型等开关电源的控制电路。vUC3842主要性能指标最大电源电压/V :36驱动输出峰值电流/mA :1000最高工作频率/kHz :500基准源电压/V :5基准源温度稳定性/(mV/):0.2 误差放大器开环增益/dB :90误差放大器单位增益带宽/MHz :1误差放大器输入失调电压/uA :0.1六、常用的集成PWM控制器介绍27vUC3842主要性能指标电流放大器增益/倍 :3电流放大器最大输入差分电压/V :1启动电压/V :16启动电流/mA :128封装及管脚图2930vUC3842内部结构如图31vUC3842各组成部分的原理内部包含5V基准源，用于电

16、压调节器的误差放 大器和峰值电流比较器等。具有可以提供1A峰 值电流的驱动电路、电源欠电压保护电路等。振荡器的振荡频率由外接电阻RT和电容CT决定， CT也决定死区时间的长短。死区时间、开关频 率同RT和CT关系如下驱动电路结构为推挽结构的跟随电路，输出峰 值电流可达500mA，可直接驱动主电路的开关器 件。ft：时钟频率(kHz) RT：外接电阻(k) CT：外接电容(uF) tD：死区时间(us)32vUC3842各组成部分的原理欠电压保护电路对集成PWM控制器的电源实施监 控。v初上电时，当电源电压低于启动电压（约 16V）时封锁PWM信号输出输出端(引脚 6)为低电平。v当电源电压大于启动电压经过软启动 UC3842内部电路开始工作PWM信号输出。v若电源电压跌至保护阈值（约10V）以下 PWM信号被封锁，避免输出混乱脉冲，以 保护主电路开关器件。v当电源电压再次大于启动电压再经软启动 UC384