《开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(版本)]第7章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源原理、设计及实例[陈纯锴][电子教案(版本)]第7章（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、7.1 自激振荡型PWM控制电路 7.2 TL494型PWM控制电路 7.3 SG3525型PWM控制电路 7.4 UC3842型电流模式PWM控制电路 7.5 TOPSwitch-系列的PWM控制电路 7.6 Tiny Switch-系列的PWM控制电路,第七章 开关电源的控制电路设计,脉冲宽度调制(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，其特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。本章以自激振荡式控制电路、几种常用的PWM集成控制芯片TL494、SG3525、
2、UC3842和单片开关电源集成芯片TOPSwitch-和Tiny Switch-系列为例，重点介绍了PWM控制器的性能特点、引脚分布、工作原理等，并举例说明了其典型应用电路。 开关电源常用的控制方式有脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制三种。目前大多数开关电源无论是自激式还是它激式，其电路均为由PWM系统控制的稳压电路。在此类开关电源中，开关管总是周期性地通/断，PWM控制电路只是改变每个周期的脉冲宽度。随着半导体技术的高速发展，开关电源控制电路的集成化水平不断提高，外接电路越来越简单，生产日益简化，成本日益减低。控制芯片生产厂家多，种类多样化，本章介绍几种常用的PWM集成
3、芯片的内部结构及其典型应用电路。,第七章,7.1.1 工作原理 自激式直流变换器具有电路结构简单、使用元器件少、成本低等特点，广泛应用于50W以下的开关电源中。自激式直流变换器的工作原理电路如图7-1所示。 图7-1 自激式直流变换器的工作原理,7.1自激振荡型PWM控制电路,输入电源通过开关变压器T初级绕组连接到开关晶体管VT的集电极，另一路通过启动电阻RS加到开关晶体管的基极。 接通输入电源后，通过起动电阻的电流流经开关晶体管VT的基极，VT导通，开关晶体管的集电极电流必然由零开始逐渐增加，称为起动电流。 在导通期间（ ），加在变压器初级绕组Np两端的电压为，同时，变压器T的反馈绕组NB上
4、感应出电压VB，该电压为正反馈电压，加到基极上并使开关晶体管进一步加速导通，这时开关变压器T初级绕组Np两端的电压=VI-VCE。变压器次级绕组NS上感应的电压对于整流二极管VD为反向电压，因此，次级绕组中无电流。初级绕组的电流为变压器的励磁电流，设初级绕组的电感为LP、导通时间为t，则该励磁电流为VIt/LP，并随时间成比例增大。开关晶体管的电流增大，若基极电流不能使其保持饱和状态，则开关晶体管脱离饱和而VCE随之增大。由于VCE增加，变压器初级绕组电压下降，基极电压随之VB下降，VCE进一步增加，由于正反馈作用，导致开关晶体管迅速截止。设初级绕组电流为IP，匝数为NP，在晶体管截止瞬间，磁
5、场保持不变，若次级绕组匝数为NS，则绕组电流为IS，有,7.1.1 工作原理,(7-1) (7-2) 晶体管从导通到截止瞬间，磁场的大小和方向都不变，保持安匝数相同，故次级绕组感应电压上正下负，二极管D导通。这时，若输出电压为VO，整流二极管的压降为VD，则变压器次级绕组电压=Vo-VD。若二次绕组的电感为LS，流经二极管的电流ID如图7-2所示，电流ID下降速率为，开关变压器T初级绕组存储的能量耦合到次级绕组，供给输出端负载。经过某一时间后，若变压器初级绕组中储存的能量都转移到输出侧，则整流二极管VD截止，变压器各绕组的电压瞬间为零。但启动绕组RS中的部分电流为开关晶体管的基极电流，开关晶体
6、管重新导通，有集电极电流流过，并构成正反馈，开关晶体管再次迅速导通，进入下一个工作周期，电路就持续工作在自激振荡状态。,7.1.1 工作原理,在导通期间（），变压器的初级绕组从输入侧蓄积能量，在截止期间（）变压器蓄积的能量通过次级绕组释放供给输出负载，此时初级绕组处于无电流流通的间歇工作方式。,图7-2 电压和电流波形,7.1.1 工作原理,在 期间，开关晶体管VT导通，集电极电流为 ，初级绕组电感为 ，输出二极管VD中无电流，在变压器次级侧C放电，供给负载输出电流。在这期间，变压器T中蓄积的能量为 在 期间，初级绕组侧无电流， 期间变压器中蓄积的能量通过次级绕组 释放 .从 转换到 瞬间，初
7、次级绕组安匝数相等，因此，若变压器初级侧能量全部传递给次级侧，则 (7-3) 匝数比为 (7-4) 电感与之比与绕组匝数平方成正比，即,7.1.1 工作原理,7.1.1 工作原理,(7-5) 若振荡频率为，则每秒提供的功率，传递到输出端，变压器效率为。若输出电压和电流分别为和，则输出功率为 (7-6),20W15V和5V两路输出的自激式开关电源电路如图7-3所示。输入为220V交流电源，通过R1经C1、L1低通滤波后加到整流桥VD1VD4上。其中FU为熔丝管，具有过流保护的作用，RV为压敏电阻。整流后的脉动直流由C2滤波，得到310V左右的直流电压加到变压器TR的初级绕组NP上。,7.1.2
8、典型应用,当功率开关晶体管VT1截止时，正电压经R15和VT1的基极向C4充电。当充电电压达0.8V后，VT1导通，于是C4通过VT1的发射极和电阻R5放电，使VT1的发射极电位升高，基极电压Vb下降。当Vb低于0.3V后，VT1截止，正电压又通过R15向C4充电。VT1导通期间，直流电压通过变压器初级绕组向VT1供电，NP在开关晶体管的作用下不停地向变压器TR的次级传递能量。同样，次级绕组在初级的作用下发生振荡，产生一高频电压并经次级各绕组上的二极管整流、电容电感滤波后，获得不同的直流电压。该直流电压的高低和电流的大小与次级绕组的匝数和整流二极管的平均整流电流Id有关。当然，次级绕组的线径对
9、此也有很大影响。在图7-3中，R12、C5、VD5是第一级网络吸收回路，吸收来自电网的尖峰电压和浪涌电压，以保护功率开关管VT1。VDZ1、VD6是第二级网络阻塞吸收回路，吸收高频变压器TR次级的反峰峰值电压以及变压器的初级漏感电压。这两种电压的峰值高，波形陡峭，能量大。因为自激振荡变换属于反向激励变换电路，开关晶体管截止期间，磁通,7.1.2 典型应用,恢复慢，剩磁比其他形式的变换器严重，磁芯容易产生磁饱和。利用R12、C5、VD5吸收电路可以减少开关晶体管的截止时间，实现快速翻转。R6、VD7也可以同样的目的加到开关晶体管的基极，加VT1的导通。C3、R3是RC阻尼电路，在开关晶体管关断时
10、吸收网络余能，抑制晶体管集电极与发射极之间的浪涌电压，以保护开关晶体管。光电耦合器PC817与开关晶体管VT2组成主开关晶体管VT1的控制电路。若输出电压有变化，通过光电耦合器的接收三极管对晶体管VT2进行控制，放大后的调宽脉冲加到开关晶体管VT2的基极进行驱动放大，以推动高频变压器的能量传输。R5是开关晶体管的电压负反馈电阻，起着过流、过压检测保护的作用。当次级的12V输出电压增大时，变压器初级绕组NP的电流也增大，流经开关管VT1集电极的电流增大，也使VT1的发射极在R5上的压降Ve上升。当Ve上升到0.6V后（1.81A），开关晶体管截止，驱动脉冲闭锁，实施了过流保护。另外，由于负载减轻
11、，输出电流减小，12V电压升高，使变压器TR的检测绕组N4的电压VN4也上升。当VN4超过5V后，稳压二极管VDZ2处于反向截止状态，失去稳压作用，立即使开关晶体管VT2的基极电压升至3.5V以上。晶体管VT1马上截止，这是过压保护的作用。,7.1.2 典型应用,7.2.1工作原理 TL494最早是由美国德州仪器公司（Texas Instruments Incorporated）生产的，现在已经取得了广泛应用。现在，市场上销售的TL494既有国外产品，也有国内产品，生产厂家不同，器件型号有所差异，但基本功能相同。 TL494是典型的脉宽调制型开关电源控制器，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全
12、桥式开关电源。其主要特性如下： (1)功能完善的脉宽调制控制电路； (2)内置线性锯齿波振荡器，通过外接电阻和电容频率可调，最高工作频率300kHz； (3)内置误差放大器； (4)内部5V精密基准电压； (5)可调整死区时间； (6)内置输出级晶体管可提供最大500mA的驱动能力 (7)具有推挽/单端两种输出方式。,7.2 TL494型PWM控制电路,TL494采用DIP-16和SOP-16两种不同的封装形式，引脚排列如图7-4所示。 图7-4 TL494引脚排列,7.2.1工作原理,TL494内部集成了误差放大器、可调频率振荡器、死区时间控制比较器、脉冲同步触发器、基准电压源以及输出控制电
13、路等，内部逻辑电路如图7-5所示。,7.2.1工作原理,TL494是固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了控制开关电源所需的主要模块。其中内置的线性锯齿波振荡器的振荡频率可以通过在引脚6外接的定时电阻RT和引脚5外接的定时电容CT进行调节。RT通常取5100k，CT通常取0.0010.1uF，其振荡频率的近似计算公式如下： (7-7) 电容CT上的正向锯齿波信号分别加到死区比较器和PWM比较器的反相输入端，与另外两个控制信号进行比较，实现脉冲宽度调制。脉冲宽度调制信号加到门电路的输入端，经触发器分频，由门电路驱动TL494内部的两个输出三极管Q1和Q2交替导通和截止，通过引脚8和引脚11向外输出相
14、位相差180的脉宽调制控制脉冲。功率输出管Q1和Q2受控于或非门，即只有在锯齿波电压大于引脚3和引脚4上的输入控制信号时才会被选通。当控制信号幅值增加时，输出脉冲的宽度将减小，如图7-6所示。,7.2.1工作原理,图7-6TL494脉冲控制波形,7.2.1工作原理,死区时间控制引脚4输入信号叠加120mV的输入偏置电压后，送入死区比较器的同相输入端，与锯齿波比较，120mV的输入偏置电压限制了最小输出死区时间约占锯齿波周期的4%，这就意味着当输出控制端引脚13接地时，输出的占空比最大只能达到96%，而接基准电压时，即工作在推挽模式下，占空比为48%。当在死区时间控制引脚4输入03.3V之间的固
15、定电压时，就能调节输出脉冲上附加的死区时间。 当反馈PWM比较器输入引脚3上的电压从0.5V上升到3.5V时，输出的脉冲宽度由死区时间输入端确定的最大百分比下降到零。两个误差放大器1和2的开环增益为95dB，具有的共模输入范围从-0.3V到（Vcc-2.0V），可用来检测电源的输出电压和电流。两个误差放大器的输出经二极管隔离，故输出端均是高电平有效，加到PWM比较器的同相输入端 当定时电容CT放电时，死区比较器输出正脉冲，其上升沿使触发器动作并锁存，同时正脉冲加到或非门的输入端，使输出晶体管Q1和Q2截止。,7.2.1工作原理,TL494有两种输出方式，若输出控制端连接到基准电压源，那么触发器
16、输出的调制脉冲使两个输出晶体管轮流导通和截止，工作在推挽模式下，晶体管输出的方波频率等于锯齿波振荡器频率的一半。如果要求驱动电流不大，且最大占空比小于50%时，可工作于单端模式。在单端工作模式下，当需要较大的驱动电流输出时，可以将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出控制端引脚13接地，触发器信号被封锁，驱动电流增加1倍，集电极最大输出电流可达500mA，输出信号的频率等于锯齿波振荡器的频率。TL494单端输出和推挽式输出的连接电路如图7-7所示。,图7-7 TL494输出电路,7.2.1工作原理,TL494内置5.0V的基准电压源，能够为外部偏置电路提供最大10mA的拉电流，在070温度范围内，该基准电压源的精度为5%，温漂小于50mV。TL494的设计特点灵活多样，死区时间控制严密可靠，因此既适合应用于200500W中小功率的单端正激双管式变换器开关电源中，也能用于8001500W中大功率的半桥式和全桥式变换器开关电源中。TL494的典型电气参数如下表7-1所示： 表7-1 TL494的典型电气参数,
