開關電源中PWM芯片待機功能的研究

摘要：介紹了L5991芯片的待機功能，并在由UC3842芯片構成的反激開關電源電路的基礎上設計了待機電路，使該開關電源電路實現(xiàn)了待機功能。

關鍵詞：脈寬調(diào)制；待機；變頻

1??? 引言

??? 待機是指產(chǎn)品已連接到電源上，但處于未運行在其主要功能時的狀態(tài)。待機的目的就是要降低電源在空載或輕載時的損耗。隨著電器和網(wǎng)絡產(chǎn)品的普及，電子產(chǎn)品待機狀態(tài)下的耗電量越來越引起國際節(jié)能，環(huán)保組織和有關國家的重視。待機能耗不僅浪費電能，而且也制造巨大的環(huán)保壓力。我們知道開關損耗與電源的工作頻率成正比，因此，可以設法在電源輸出功率變小乃至于進入待機狀態(tài)時，使其工作頻率降低。這可以通過許多控制功能芯片來實現(xiàn)，例如集成芯片L5991等。目前，很多PWM芯片還不具有變頻的待機功能，因而，我們可以借鑒L5991芯片的這個功能電路來實現(xiàn)其他PWM芯片的待機功能。

2??? L5991芯片的待機功能電路介紹

??? L5991芯片，是由BCD60II技術發(fā)展而來的，設計目的是用一個固定頻率的電流模式控制，實現(xiàn)離線式DC/DC電源應用。L5991是一個標準電流型PWM控制器，該控制器具有可編程軟啟動，輸出/輸入同步，閉鎖（用于過壓保護和電源管理），精確的極限占空比控制，脈沖電流限制，用軟啟動來進行過流保護，和當空載或輕載時使振蕩器頻率降低的待機功能等優(yōu)點。

??? 圖1是該芯片待機功能的基本內(nèi)部電路。管腳2外接兩個電阻（R_A和R_B）和一個電容(C_T)，照圖1中連接，是用來分別設置振蕩器正常運行的工作頻率（f_osc）和待機模式的工作頻率（f_sb）。實際上，只要待機信號是高電平，該管腳能通過一個N溝道FET內(nèi)部連于參考電壓V_ref，所以，定時電容C_T通過R_A和R_B放電。當待機信號變低，N溝道FET就關閉且該管腳懸空，C_T只通過R_A放電，這樣振蕩器頻率就會變低。V_CT在正常運行中由V_ref通過R_A和R_B控制,而在待機時通過R_A來進行調(diào)控。當C_T上的電壓達到3V時，電容會快速地內(nèi)部放電。當電壓降到1V時，它開始再次充電。

圖1??? L5991芯片的待機功能基本電路

??? 正常運行中R_T將等于R_A//R_B，其頻率公式為

??? f_osc≌???? （1）

而在待機時R_T=R_A，其頻率公式為：

??? f_SB≌???? (2)

式中：K_T=

??? L5991通過對與負載相聯(lián)系的反饋電壓進行檢測，在負載降低到一個定義值（由電路中的元器件參數(shù)來控制）時自動降低振蕩器頻率，而當負載增加并超過第二個極限值時恢復其正常工作頻率。這樣，由L5991控制工作頻率的系統(tǒng)，就可以依靠其待機功能來實現(xiàn)系統(tǒng)待機和工作時的頻率轉換。當系統(tǒng)待機時，頻率降低，可以通過對電路參數(shù)的設置使待機頻率變得很低，從而降低了開關損耗。

??? L5991作為一個電流型控制器，其誤差放大器的輸出電壓V_comp，除偏移量外，是跟主電流峰值成比例的。所以，可以通過監(jiān)控V_comp來推測電源的負載情況。

??? 假如，由于負載減小使得主電流峰值降低，且V_comp降低到一個固定極限（V_T1）時，振蕩器頻率將被設置到一個較低的數(shù)值上（f_sb）。假如，主電流峰值增加且V_comp超過V_T2時，振蕩器頻率將重置在正常值上（f_osc）。頻率的變化引起V_comp的變化，并且由于能量平衡原因而方向相反，因而，提供一個恰當?shù)臏蟊憧梢苑乐拐袷幤黝l率在f_sb與f_osc之間變動。

3??? 反激式開關電源待機功能的實現(xiàn)

??? 根據(jù)上述L5991芯片的待機原理，我們可以試想，在UC3842構成的反激式開關電源的基礎上加入待機功能。通過對與負載相聯(lián)系的反饋電壓進行檢測，利用芯片內(nèi)部的誤差放大器的輸出值，對頻率進行改變。

??? UC3842芯片的管腳1為誤差放大器輸出，圖2為芯片待機功能的基本電路。

圖2??? 芯片待機功能的基本電路

??? 該電路的主要原理是：檢測反饋電壓經(jīng)誤差放大器后的輸出值，通過一個遲滯比較器（施密特觸發(fā)器），驅動開關管的開通或者關斷，來實現(xiàn)R_T的改變，從而改變電源的振蕩頻率。

??? 我們可以看到，電源處于何種工作狀態(tài)（正常工作或是待機），取決于遲滯比較器的閾值的設定，而該閾值取決于電源待機和正常工作時的誤差放大器的輸出值。

??? 在實際設計的電路中，電源電路空載時，輸出約為1.6V，而非輕載時為1.8V以上，因而，我們根據(jù)這個值來設定遲滯比較器的閾值。遲滯比較器由555芯片加上外圍的電阻構成，該比較器的電路圖如圖3所示。

圖3??? 遲滯比較器電路

??? 圖3中，555芯片的基準電源V_DD為＋5V，由UC3842的腳8輸出基準電壓給定。遲滯比較器的上下閾值計算如下：

??? V_TH=V_DD??? （3）

??? V_TL=??? （4）

根據(jù)以上確定的閾值，確定各個電阻的阻值。

??? 電源電路負載變化時，根據(jù)遲滯比較器的閾值，電源工作在相應的頻率。

4??? 試驗結果

??? 根據(jù)以上原理搭構了由UC3842芯片控制的單端反激式開關電源電路^[1][2][3]，并加入了待機電路，其中取C_T=4700μF，R_A=R_B=20kΩ，驗證了以上原理。

??? 圖4為空載切換成帶5W負載時的頻率變化，頻率由20kHz變成40kHz，而當切換回空載時，頻率則由40kHz變回了20kHz，如圖5所示。

圖4??? 空載切換成帶負載時頻率變換

圖5??? 負載切換成空載時的頻率變換

??? 圖6及圖7給出了正常工作狀態(tài)和待機工作狀態(tài)下的電源電路的振蕩脈沖和功率MOSFET器件的驅動信號波形。從圖中可以清楚的看出電源的工作頻率。

圖6??? 正常工作時的振蕩脈沖和驅動波形

圖7??? 待機工作狀態(tài)下的振蕩脈沖和驅動波形

5??? 結語

??? 由UC3842構成的開關電源，完全可以加入待機功能電路來實現(xiàn)待機功能，在空載的時候降低開關頻率，有效地減少開關損耗。并且，完全可以在其他PWM芯片上也加入類似的檢測控制電路來實現(xiàn)待機功能。