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1、UC1901简化开关电源隔离反馈问题1、介绍UC1901简化了隔离和原边控制型开关电源闭环反馈设计的任务，它集成了精密参考、误差放大器和完整的调制模块。使用它的调制输出模块可以将环路的误差信号利用不算新变压器隔离技术来穿越隔离线从而提供了稳定和重复的闭环特性。而且UC1901所产生的载波频率最高到5MHz,这样可以有效的减小隔离变压器的尺寸和成本。它自身所具有的副边参考，可以为反馈信号提供了高精度的耦合通路，从而使具有隔离线的电源获得可靠的输出精度、稳定度及瞬态特性。从而保持了非离线性原边控制电源的优点。无论简单或是复杂的系统的闭环反馈都要求所有非常清析环路因素的特性,而且要求每种因素的最坏情
2、况,这些变动必须被考虑进环路的稳定性、动态相应特性和静态工作点。如果环路中因制作原因而引入了一个不可预测的参数,将影响整个设计,因此这些在设计中都必须十分小心考虑。控制环路的瞬态响应,例如,由于因参数变化而使补偿的余度不足等,只有仔细地考虑,才能将保证环路的稳定性。为了获得高等级的负载和线性稳定度,电源的输出电压的采样必须并和一个精密的参考电压进行比较,所得误差电压必须被放大并反馈到电源的控制中,从而使得误差电压被校正。在一个隔离电源中,在原边或副边的控制电路的周期执行,如图1所示,FIGURE1:ATypicalClosed-LoopisolatedPowerSupplyWithPrimar
3、y-SideControl.这种类型的电源的反馈信号必须穿越隔离线，而耦合误差信号的器件要求能够抵抗隔离电势并能够不失真地传递环路误差信号。虽然光耦器件存在一些显著的缺点,但仍旧被广泛的使用来完成此功能，最主要的原因是其具有耦合DC信号的能力。但是光耦只能提供非常低的初始容差和稳定度，通过其的增益，即电流传输比（CTR）,线性区非常窄并会随时间和温度的变化而改变。可是这种变化将直接影响系统整个环路的增益，使整个环路的分析更加困难，也导致设计的难度的增加。另外，当要求一个额外的环路响应时，光耦限制带宽特性却阻止了它的使用。当可靠性设计作为电源设计一个重要特性时，在离线式电源的设计中原边控制的好处
4、是非常具有吸引力的。离线式电源设计框图（如图1），即把控制功能和功率器件放在隔离线的同一侧。这样不仅仅简化控制和功率开关的接口设计，而且使功率开关的保护更加容易。对功率开关的电流和电压的采样能有效避免其失效从而提高了电源整体的性能。这种原边控制构架已经被新的控制器产生而得以加强。此控制器（UC1840）集成了低电流启动、高速逐脉冲电流限制和电压前馈的特色。低电流启动减轻负载侧控制器的功耗问题，而快速的电流限制和电压前馈的使得电源的性能更增强输入电压和功率开关在一边原边控制型电源的优点。UC1901上集成（隔离传递误差信号的）所有必要的功能：产生调幅（AM）的反馈信号，这是首款此类的芯片。总之，
5、在多种模式的使用中UC1901能够充分利用它的优点。意识到，随着功率转换技术的持续发展，UC1901是专门设计用于高可靠性、高性能的应用场合，它简化了它们的设计。2、UC1901的功能通过一个成熟的典型应用能够更好的理解UC1901的工作。在图2中，UC1901被应用一个隔离开关电源的闭环反馈系统中。任何具有反馈的系统，都渴望得到系统的输出与系统的参考之间有最小的误差。利用UC1901擅长副边、或者输出边能力，即在输出电压通过分压后与片上的1.5V的参考电压比较后在利用其高增益的误差放大器。在这种方式下，在负载下的输出端的DC误差被保持到最小甚至出现在电源环路显著的非线性或偏置的出现时仍会保持
6、。既然UC1901上的1.5V输出具有精密和自动补偿的参考，因此具有良好微调电阻的要求是没有必要的。为了使得UC1901与5V输出的电源相兼容，其设计为在输入电压为4.5V时开始工作。这点满足于5VTTL电路直接供电的要求，仅仅只有5mA额定负载电流的特性满足在40V输入电压时仍然具有很小的功耗的要求。在UC1901被放大的误差信号补偿输出被内部反向然后送到调制器去，其他输入调制器的是来自振荡器的载波信号。调制器把两种信号合成为一种幅值与误差放大信号幅值成比例的并与振荡器频率相等的方波信号。此反馈信号被缓冲后送到耦合变压器上。使用内部的振荡器，载波的频率可以到MHZ。运行在高频的条件，能够减小
7、耦合变压器的尺寸和成本。耦合变压器的副边绕组驱动二极管和电容的峰值检波器，利用一个简单的电阻负载去释放保持电容的电荷，一个有效幅值的解调器就形成了。来自误差放大器的输入小信号电压增益到检测器的输出组成一个反馈网络的功能（误差放大器、调制增益、耦合变压匝比和解调模块的损失）。在图2中，检测器的输出与反馈电压的关系是反向的，这对保证电源的启动是非常必要的。既然UC1901，如图所示，是由负载输出电压供电的，那么最初的到PWM控制器的反馈信号总是为零。DC信号180度相移是很容易通过反向来自误差放大器信号获得，而在大部分的PWM控制电路都具有反向的功能。在某些应用中，可能要求UC1901的载波运行频
8、率要与一个系统时钟频率或者参考频率同步。为适应这种需要UC1901有一个外部时钟输入。在许多条件里，Uc1901的运行频率假如振荡器被禁止并且外部的时钟信号保持为低（或悬浮），那么一个额外的运行模式就成为可能。在这种情况下处在线性状态，此时驱动器A跟随误差放大器而输出。驱动器B的输出将固定在大约1.4V。假如外部的时钟信号被使能则两个驱动器的输出的功能恢复。由于具有15mA驱动电流的能力，使得它们能够同参考集成并且驱动光耦。尽管耦合器的不稳定性将依旧存在，UC1901的精密参考、高增益放大驱动器和4.5V电压运行的优点还是值得一提。3、受控的反馈响应对完成一个开关电源，存在很多不同的拓扑形式可
9、以供使用。对于离线式电源，反激和正激转换器是被很普遍用作设计。而且这两种拓扑形式的电源广泛使用为电流型。但是每种拓扑有不同正向传输特性。当某个电源被设计时，必须重复的任务是设计反馈网络的优化，因为每一种转换器中，其静态工作点、电感电流连续或者不连续、电压或者电流控制模式这些特性是不同的。一旦确定使用某种特定变换器作为主拓扑电路。各种各样的因素，例如稳定性、线性稳定度、负载稳定度和瞬态响应特性，将确定整个环路开环和闭环响应。UC1901其中之一的功能就是实现一个给定响应，即具有受控的隔离反馈响应。UC1901的RC反馈补偿网络能够对整个反馈网络的小信号增益和相频特性进行校正。片内的误差放大器具有
10、60DB典型的开环增益并且具有接近1Mhz的具有内部补偿的增益带宽。这两个特性可以通过提供补偿的引脚（Pin12）来测试得到。如图3A所示，误差放大的信号通过Q1和Q2的集电极被内部拆分，并分别送到调制器和补偿端。来自补偿端的反馈加到误差放大器的反向输入端去控制通过Q1的小信号集电极电流。既然Q2有相同的基极电压，并且它的发射极的阻抗相同，它的集电极电流将跟随Q1。Q2的集电极电流送给调制器并决定了输出信号的幅值。电阻R4（或R5）和R2的阻值之比为4：1，其结果使调制模块的差分输出信号的幅值与补偿信号的幅值有12DB的小信号增益。对于这个关系，包括调制器的功能，都被图3B所示。示波器的显示了
11、一个2.5KHz、200mV峰峰值的正弦波的轨迹，是在补偿端测得，并且得到在25KHZ方波上有峰值800mV变动幅值的载波，在调制器的差分输出测试，影响反馈环路遗留的因素是通过变压器的小信号增益、检测电路和检测输出到电源PWM之间的电路。变压器的增益可以简化为变压器的匝比。检测器小信号的增益通常能够被假定为1,即检测器提供交流负载非常小。（Someloadonthedetectorisnecessarytoallowitsoutputtoslewinanegativedirection.）在检测器上的某些负载必须使得它的输出以相反方向的变化。图4概述了一个典型变压器和检测器的传递和输出特性。这
12、里在检测器上的负载其模型为电流源（只是一个简化的模型）。检测器输出在实际应用的工作点将由它和PWM的输入接口决定。既然来自检测器的最小校正为相对一个正工作点电压（相对某一参考）的零电压,这一点对在DC和瞬态条件提供了足够的动态范围。UC1901专门设计为产生最大等于或超过1.6V峰峰值的载波。这一点显示出假如检测器的输出必须略大于1V（即允许检测器的二极管右0。6V的压降）时，变压器的匝比就要比1：1要大。注意到许多开关电源使用集成PWM控制的功率芯片来设计。一个典型PWMIC包括专用带有对输入误差电压有放大和缓冲功能的误差放大器，并把放大的信号送入PWM斜波比较器。此误差放大器很容易被用来固
13、定检测器的工作点，即要和1：1变压器兼容。另外，UC1901上的误差放大器和PWM的放大器联合起来去产生大的DC环路增益来提高负载和线性稳定度，并且环路增益和相频响应的优化可以提高瞬态特性和系统稳定的性能。4、变压器的要求UC1901所使用的耦合变压器有两个基本的要求。首先，它能够传递隔离线两侧的反馈电压信息。所面临第一个DC隔离要求是由特殊应用来决定。通常，当前的在线式系统所面对隔离要求对于小信号的传递是很容易搭建的。对于大部分的严格的应用里，E型带骨架的和绕组的磁芯对于获得或制作是不便宜的。不论如何，小的尺寸是非常重要的，一个简易环形磁芯可以被使用。必须要满足确定变压器励磁电感的大小的要求
14、，变压器的励磁电感是被绕在磁芯上的绕组所形成电感为参考。在许多传统的变压器的例子里，励磁电感是被忽略的。这是一个正确的近似。原因是，在这些例子里，所需求的励磁电流远远小于负载的反射电流。换句话说，负载电流和变压器的电感越小，励磁电流越重要。UC1901上的驱动输出的发射跟随极被偏置到700uA。因此，假如驱动在没有外部的偏置电流的情况下其通过原边绕组的峰值电流不能超过此值。图5A描述了通过变压器的输入电压与励磁电流的关系。AH5Ed山Ewh-IOAHUJ3HDLL旳M5人TIME假如忽略负载的反射电流，那么调制器的方波要线性的传递所要求的最小励磁电感可以有下面的方程得到：CP1)其中：Lm为励
15、磁电感V为变压器输入的载波的峰峰值PfC为UC1的工作频率I为UC1901驱动器的偏置电流P举一个例子，假设V为2V的例子，并且驱动器运行在自身的偏置上。利用方程1，可P以计算出没有副边负载的原边绕组的电感量必须大于7.1mH。与之相应的是，假如载波的频率升到1MHZ并且UC1901驱动的电流偏置提高到3.5mA,那么L就只有150uH，此时只M要用10匝绕在高磁导率铁氧体磁材的环形磁芯就可以做到。5BTJME.*1,JJM山ozHnoAEcIYkM比山scre旳MCEUJEwjnoAHUJ雀od翌罷一FfGURE5:TheUC1901DriverOutputsFollowtheModulat
16、orOutputSquareWave(ar)Sourcing2ndSinkingCurrentLevelsDependentonTransfarmerInduetanceCarrierFrequency,andVoltageLevei.Whent/?eEMsLeveloftheDriverOutputs,!isReached,(b.),3Tn-staieWsvefcrmisCaiipledAcrossrfieTransformer：tfrePeakVoltageLevelThough,RemainsApproximatelytheSame.TheReflectedLoadCurrentsareAssumedNegtigible.方程1设置了要线性传递载波波形的最小的励磁电感量。实际上，甚至当电感量小于最小值仍然可以有效地耦
