開關(guān)電源的PWN-PFM控制電路

鄒懷安 張 銳 胡榮強(qiáng)
武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院

1．引言

開關(guān)電源由于在體積、重量、效率和可靠性等多多方面的優(yōu)勢，目前在計算機(jī)、通信、家用電器、雷達(dá)、空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域中已完全取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源的控制技術(shù)主要有三種：(1)脈沖寬度調(diào)制(PWM)；(2)脈沖頻率調(diào)制(PPN)；(3)脈沖寬度頻率調(diào)制(PWN-PFH)．其中PWM是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中為廣泛的一種控制方式，它的特點是噪音低、滿負(fù)載時效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，現(xiàn)在市場上有多款性能好、價格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點，但它沒有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；PWM-PFM兼有PWM和PFM的優(yōu)點，但目前市場上沒有具有PWM-PFM功能的單片集成芯片出售從而限制它的應(yīng)用。

本文介紹了一種采用PWM-PFM控制的開關(guān)電源，對其中的控制電路--PWM-PFM電路的原理進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，該控制電路元件數(shù)量少、實現(xiàn)簡便。

2．開關(guān)電源及其PWH-PFH控制電路介紹

本開關(guān)電源的輸入為三相交流電，輸入電壓范圍為320~575V，頻率為45~65Hz，輸出規(guī)格為24V／10A，重量僅約1．4Kg。開關(guān)電源的主電路拓?fù)錇殡p晶體管反激變換式，通過采用兩支開關(guān)管串聯(lián)來降低對大功率MOS場效應(yīng)管的關(guān)斷電壓的要求。

PWM-PFM控制電路由三片數(shù)字芯片(4011、4066、40106)和少量電阻、電容、二極管、三極管組成，電路圖見圖1．其中，4011為二輸入的四與非門，4066為四雙向模擬開關(guān)，40106為六施密特觸發(fā)器。

3．原理分析

如電路圖所示，它有四個輸入端，信號分別來自光耦1輸出端、光耦2輸出端、整流后的高壓直流端、以及與開關(guān)變壓器耦合，一個輸出端以驅(qū)動大功率MOS場效應(yīng)管。電路的部分是由兩個與非門(IN3a／IN3b／OUT3和IN4a／IN4b／OUT4)構(gòu)成的RS觸發(fā)器。觸發(fā)器有兩個輸入端：40ll第9腳(IN3b)和第12腳(IN4a)；兩個輸出端401l第10腳(OUT3)和第11腳(OUT4)。輸出端OUT4的信號傳送到五個并聯(lián)的施密特觸發(fā)器(I1／O1、I2／O2、I3／O3、I4／O4和I5／O5)。施密特觸發(fā)器的作用是整定與非門的輸出波形，防止電路的誤動作。采用五個施密特觸發(fā)器并聯(lián)的冗余設(shè)計提高了電路的電流驅(qū)動能力，增強(qiáng)了整個電路的可靠性。整形后的波形經(jīng)兩個互補(bǔ)三極管構(gòu)成的圖騰柱驅(qū)動大功率MOS場效應(yīng)管，控制主回路的導(dǎo)通和關(guān)斷。輸入端IN3b為導(dǎo)通時間Ton控制端，輸入端IN4a為關(guān)斷時間Toff控制端，兩個輸入端都是低電平有效。當(dāng)輸入端IN4a為低電平時觸發(fā)與非門4使輸出端OUT4為高電子，經(jīng)施密特觸發(fā)器后關(guān)斷開關(guān)管；當(dāng)輸入端IN3b為低電平時觸發(fā)與非門3使輸出端OUT3為高電平，輸出端OUT4為低電子，OUT4低電平經(jīng)施密特觸發(fā)器后為高電平，使開關(guān)管導(dǎo)通。OUT3高電平使模擬開關(guān)1(IN1／OUTl／CONTROLl)導(dǎo)通，線圈Ll的電流經(jīng)D5和R17到地，防止線圈L1磁飽和。

啟動時，線圈Ll無電流，對地為低電平，經(jīng)與非門1(INla／IN1b／OUTl)和與非門2(IN2a／IN2b／OUT2)后仍為低電平，即輸入端IN3b為低電平，經(jīng)RS觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器后使開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)電源有輸出，輸出電壓經(jīng)比較、放大后的反饋信號經(jīng)光耦2隔離，通過R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a，使開關(guān)管關(guān)斷，PWM-PFM控制電路起振。

正常工作時，線圈L1耦合開關(guān)變壓器的信號(即開關(guān)管的信號)經(jīng)與非門l和與非門2后至IN3b，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間Ton，從開關(guān)電源的輸出的反饋信號經(jīng)光耦2隔離，通過R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a，控制開關(guān)管的關(guān)斷時間Toff。若負(fù)載和輸入電壓不變，開關(guān)管按RS觸發(fā)器的電路常數(shù)所決定的寬度和頻率周而復(fù)始的導(dǎo)通和截止，維持輸出電壓不變。若負(fù)載或輸入電壓有變化，線圈Ll和光耦2反饋的信號同時變化，使導(dǎo)通時間Ton和關(guān)斷時間Toff同時變化，即控制脈沖的寬度和頻率同時變化，實現(xiàn)了PWM-PFM控制。

光耦l為輸出過壓保護(hù)，當(dāng)開關(guān)電源輸出正常時，光耦1輸出為高電平，經(jīng)施密特觸發(fā)器后為低電平，模擬開關(guān)3(IN3／OUT3／CONTROL3)不導(dǎo)通，OUT3不起作用；當(dāng)開關(guān)電源輸出過壓時，光耦1輸出為低電平，經(jīng)施密特觸發(fā)器后為高電平，使CONTROL3為高電平，模擬開關(guān)3導(dǎo)通，OUT3端接地，IN4a端為低電平，開關(guān)管關(guān)斷。

整流后的高壓直流端為輸入過壓保護(hù)。當(dāng)交流輸入電壓正常時，T1管飽和導(dǎo)通，CONTROL4為低電平，模擬開關(guān)4(IN4／0UT4/CONTROL4)不導(dǎo)通，OUT4不起作用；交流輸入電壓過高時，Tl管截止，CONTROL4為高電平，模擬開關(guān)4導(dǎo)通，OUT4接地，IN4a端輸出為低電平，開關(guān)管關(guān)斷。

4．結(jié)束語

控制電路是開關(guān)電源的部分，采用合適的控制電路可簡化開關(guān)電源的設(shè)計，并使之具有優(yōu)異的性能。采用該PWM-PFM控制電路組成的開關(guān)電源，由于輸出電壓紋波非常小(僅有幾十毫伏)、交流輸入電壓范圍大(能在320V~575V范圍內(nèi)正常工作)、開關(guān)頻率高(工作時頻率在100~300KHz之間變化)、占空比變化小(從15％至35％)、滿載時效率高(能達(dá)到90％以上)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)電器控制柜、自動電梯等電源環(huán)境比較惡劣的場所。對采用硬開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源而言，該PWM-PFM控制電路具有良好的性能，同時實測也表明，當(dāng)負(fù)載變化較快時，開關(guān)電源的輸出電壓的穩(wěn)定性下降，因而，該電路不適用于負(fù)載變化較劇烈的場合。