一种电流控制型开关电源的电路设计

王坤航 刘华

摘 要：该设计根据电流控制型脉宽调制开关稳压电源的研究现状，提出了一个电流控制型脉宽调制开关稳压电源的设计方案。通过对其进行电压调整率及负载调整率的测试，结果表明：该电流控制型脉宽调制开关稳压电源在输入交流电压185V至250V时，可输出直流电压10V。该电源稳压效果良好、过流及短路保护方法合理、电压调整率和负载调整率均低于3%。

关键词：电流控制型；电压调整率；负载调整率

中图分类号：TM564 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0090-03

Abstract： According to the research status of current controlled pulse width modulation （PWM） switching power supply， a design scheme of current controlled PWM switching voltage stabilizing power supply is put forward in this paper. The voltage regulation rate and load regulation rate are tested. The results show that the output DC voltage of the current controlled PWM switching power supply is 10 V when the input voltage is from 185 V to 250 V， and the output voltage of the current controlled PWM switching power supply is 10 V when the alternate current （AC） voltage is from 185 V to 250 V. The voltage stabilizing effect of the power supply is good， the over-current and short-circuit protection methods are reasonable， and the voltage regulation rate and load regulation rate are all less than 3%.

Keywords： current control mode； voltage regulation rate； load regulation rate

开关电源[1]中有两种常见的控制方式：电流控制和电压控制。问世于20世纪70年代后期的電流控制型脉宽调制技术，克服了传统的电压控制型脉宽调制技术的缺点，提高了开关电源系统的瞬态响应，同时使开关电源工作起来更稳定。

目前市场上应用最广泛的电流控制型脉宽调制器是美国Unitrode公司生产的高性能电流控制型脉宽调制器芯片UC3842[2]。该芯片具有外围电路简单、性能优越、价格低廉等优点，是当下比较理想的新型脉宽调制器。但是随着开关电源频率的提高，由它所构成的开关电源的外围电路却出现了很多问题[3]，因此，研究UC3842的外围电路以及对其进行优化设计，使优化后的电路性能更可靠、更稳定，这对电流控制型开关稳压电源的发展有深远意义。

1 电流控制型脉宽调制电路

1.1 控制芯片

电流控制和电压控制是高频开关稳压电源中常见的两种控制方式[4]。电流控制相对电压控制来说电路比较复杂，但是响应速度快，因此，电流型控制芯片被广泛地应用于隔离式单端开关电源以及DC/DC变换器中。

如图1所示，为电流控制型脉宽调制芯片UC3842的内部电路图[5]，表1为引脚功能说明[6]。

1.2 控制原理

常见的开关电源由主电路、控制电路、检测电路及辅助电源四部分组成[7]。主电路决定开关电源的工作模式，可根据主电路的不同分为正激式还是反激式，升压式还是降压式等等；根据检测电路采集电压或电流的方式，其控制电路分为电压控制型和电流控制型[8]。

如图2所示，本设计所使用的控制电路为电流控制型，采用了电流电压双闭环串级结构，内部是电流环，外部是电压环。其控制原理是：将给定的电压Vi与反馈电压Vr进行比较得到电压误差，该电压误差经电压调节器输出后，作为另一个给定的电压信号Ve与经采样电阻采集的信号Vs进行比较，输出一个可调节的PWM脉冲信号，从而使得输出的电压信号VO保持恒定[9]。

2 电源设计

2.1 设计指标

明确各项性能指标是设计电源的前提，该电源的设计指标如表2：

2.2 系统结构

如图3所示，系统整体结构包括：整流滤波电路、钳位电路、缓冲电路、控制电路、输出整流滤波电路和反馈电路，另外还有隔离降压变压器、高频变压器与开关管。

系统工作过程：交流电压Vi经过隔离降压变压器后，将220V交流电变为70V左右的交流电，再经桥式整流电路，得到约为100V的直流电压。此时的直流电压经过高频变压器改变幅值，并由变压器的次级传递到输出整流滤波电路，得到期望的输出电压Vo。此过程中，由于反激式变换器在开关管关断期间，一次侧会存有大量的能量，为了保护电路，需要在一次侧加入一个钳位电路，使整个电路能够正常工作；同时，为了提高电路的工作效率，在开关管旁路增加一个缓冲回路，用来减少开关管的损耗。为了防止电路工作过程中在输入电压波动或负载变化而导致输出电压不稳定的情况发生，在电路输出端加入一个反馈回路，通过将输出端的采样电压与基准电压进行比较，并把反馈信号输送给控制电路，控制PWM波的占空比，从而控制开关管的开通与关断，使输出电压稳定[10]。

2.3 设计方案

如图4所示，220V交流电经变压器T1降压成70V后接进线端，滑动变阻器RP1起限流保护作用，70V的交流电经整流桥整流以及电解电容C8滤波后变为100V左右的脉动直流输入电压，记做Vd。此电压分为两路：一路经电阻R6、滑动变阻器RP2降压后为UC3842提供直流启动电压；另一路经变压器“3”和“4”引脚抽头构成的初级线圈为开关管的漏极提供驱动电压。R9、C6与快恢复二极管VD6构成变压器缓冲网络吸收回路，用以对变压器初级的漏电流、次级反馈到初级的尖峰电流进行吸收。

变压器的“1”和“7”引脚抽头，组成反馈线圈，在开关管关断时，反馈线圈上产生感应电压，经快恢复二极管VD5，为UC3842提供工作电压。R8是电流检测电阻，R11是电压负反馈电阻，用于检测电路输出端的工作状况，如过流、短路等。UC3842的4脚定时端接入一个由R4、Q1和R1组成的射极跟随器，可避免系统在连续的电感电流条件下工作时出现不稳定的情况。取样电阻旁边串联的电感L1，一方面，电感的感性分量可以抵消取样电阻的感性分量，另一方面，能够抑制变压器漏感产生的尖峰电压。反馈回路使用三端可调分流基准源与光电耦合器直接对输出电压进行采样[13]，可以使输出电压降低时，UC3842的6脚驱动信号输出的占空比减小，输出电压上升。快恢复整流二极管V4对变压器“5”和“6”引脚抽头构成的输出电路进行整流，电容C10滤波，滑动变阻器RP3和电阻R17做负载。

3 性能测试

3.1 电压调整率测试

如图4所示，将滑动变阻器RP1缓慢右旋使输入直流电压Vd减小约20%，用万用表测量输入直流电压改变前后的输出电压（端口3和端口4）V1和V2，如此反复测量3次，记录如表3并计算电压调整率。

3.2 负载调整率测试

如图4所示，将滑动变阻器RP3右旋到底，此时负载约增加25%，用万用表测量输出电压改变前后的数值（端口3和端口4）V3和V4，反复测量3次，记录如表4并计算负载调整率。

4 结束语

该设计利用电流控制型脉宽调制芯片，通过制定设计方案，绘制电路图并制作PCB板，焊接电路以及对电路进行工作性能测试，最终完成了设计指标。

该设计使用了较低漏感的高频变压器，并在取样电阻的旁边串联了抑制变压器漏感的电感。芯片定时端加上了射极跟随器以避免系统在连续的电感电流条件下工作时出现不稳定的情况。反馈回路使用三端可调分流基准源与光电耦合器直接对输出电压进行采样，提高了采集数据的准确性。电路不仅能够输出直流电压10V，而且该电源稳压效果良好、过流及短路保护方法合理、电压调整率和负载调整率均低于3%。

参考文献：

[1]贾道杰.基于VIENNA整流器的数字电源系统设计[D].扬州大学，2018.

[2]肖铁.基于UC3842输出DC5V/5A的开关电源设计[J].科技展望，2016，26（19）：166.

[3]王元月.基于UC3842的多路输出型开关电源的设计实现[J].电子科技，2015，28（10）：138-140.

[4]尹佳山.一种基于UC3842芯片的开关电源设计[J].广播电视信息，2014（09）：68-69+71.

[5]王志峰，廖曉文，王韶军，等.基于UC3842应用电路设计[J].电子设计工程，2014，22（19）：126-129.

[6]栾军.一种基于UC3842的新型开关稳压电源设计[J].电子世界，2014（16）：193.

[7]王侠，王进军.基于UC3842的三路输出小功率开关电源设计[J].电子器件，2015（04）：785-789.

[8]Zhaoyang Yan， Kun Zhang， Jianxia Li，etc.A Novel Absolute Value Logic SPWM Control Strategy Based on De-Re-Coupling Idea for High Frequency Link Matrix Rectifier[J]. Industry Applications， IEEE Transactions on， 2014，Vol.50（3）：2243-2257.

[9]Janusz Zare？誰bski， Krzysztof Górecki. Spice-aided modelling of the UC3842 current mode PWM controller with selfheating taken into account[J]. Microelectronics Reliability，2006，47（7），1145-1152.

[10]张召朋.基于UC3842的多路输出电压型开关电源设计[D].西安电子科技大学，2013.