原创 开关电源的PWN-PFM控制电路

开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多多方面的优势，目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已完全取代了传统的线性稳压电源。开关电源的控制技术主要有三种：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲频率调制(PPN)；(3)脉冲宽度频率调制(PWN-PFH)．其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；PWM-PFM兼有PWM和PFM的优点，但目前市场上没有具有PWM-PFM功能的单片集成芯片出售从而限制它的应用。

本文介绍了一种采用PWM-PFM控制的开关电源，对其中的控制电路--PWM-PFM电路的原理进行了较详细的分析，该控制电路元件数量少、实现简便。

2．开关电源及其PWH-PFH控制电路介绍

本开关电源的输入为三相交流电，输入电压范围为320~575V，频率为45~65Hz，输出规格为24V／10A，重量仅约1．4Kg。开关电源的主电路拓扑为双晶体管反激变换式，通过采用两支开关管串联来降低对大功率MOS场效应管的关断电压的要求。

PWM-PFM控制电路由三片数字芯片(4011、4066、40106)和少量电阻、电容、二极管、三极管组成，电路图见图1．其中，4011为二输入的四与非门，4066为四双向模拟开关，40106为六施密特触发器。

3．原理分析

如电路图所示，它有四个输入端，信号分别来自光耦1输出端、光耦2输出端、整流后的高压直流端、以及与开关变压器耦合，一个输出端以驱动大功率MOS场效应管。电路的核心部分是由两个与非门(IN3a／IN3b／OUT3和IN4a／IN4b／OUT4)构成的RS触发器。触发器有两个输入端：40ll第9脚(IN3b)和第12脚(IN4a)；两个输出端401l第10脚(OUT3)和第11脚(OUT4)。输出端OUT4的信号传送到五个并联的施密特触发器(I1／O1、I2／O2、I3／O3、I4／O4和I5／O5)。施密特触发器的作用是整定与非门的输出波形，防止电路的误动作。采用五个施密特触发器并联的冗余设计提高了电路的电流驱动能力，增强了整个电路的可靠性。整形后的波形经两个互补三极管构成的图腾柱驱动大功率MOS场效应管，控制主回路的导通和关断。输入端IN3b为导通时间Ton控制端，输入端IN4a为关断时间Toff控制端，两个输入端都是低电平有效。当输入端IN4a为低电平时触发与非门4使输出端OUT4为高电子，经施密特触发器后关断开关管；当输入端IN3b为低电平时触发与非门3使输出端OUT3为高电平，输出端OUT4为低电子，OUT4低电平经施密特触发器后为高电平，使开关管导通。OUT3高电平使模拟开关1(IN1／OUTl／CONTROLl)导通，线圈Ll的电流经D5和R17到地，防止线圈L1磁饱和。

启动时，线圈Ll无电流，对地为低电平，经与非门1(INla／IN1b／OUTl)和与非门2(IN2a／IN2b／OUT2)后仍为低电平，即输入端IN3b为低电平，经RS触发器和施密特触发器后使开关管导通，开关电源有输出，输出电压经比较、放大后的反馈信号经光耦2隔离，通过R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a，使开关管关断，PWM-PFM控制电路起振。

正常工作时，线圈L1耦合开关变压器的信号(即开关管的信号)经与非门l和与非门2后至IN3b，控制开关管的导通时间Ton，从开关电源的输出的反馈信号经光耦2隔离，通过R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a，控制开关管的关断时间Toff。若负载和输入电压不变，开关管按RS触发器的电路常数所决定的宽度和频率周而复始的导通和截止，维持输出电压不变。若负载或输入电压有变化，线圈Ll和光耦2反馈的信号同时变化，使导通时间Ton和关断时间Toff同时变化，即控制脉冲的宽度和频率同时变化，实现了PWM-PFM控制。

光耦l为输出过压保护，当开关电源输出正常时，光耦1输出为高电平，经施密特触发器后为低电平，模拟开关3(IN3／OUT3／CONTROL3)不导通，OUT3不起作用；当开关电源输出过压时，光耦1输出为低电平，经施密特触发器后为高电平，使CONTROL3为高电平，模拟开关3导通，OUT3端接地，IN4a端为低电平，开关管关断。

整流后的高压直流端为输入过压保护。当交流输入电压正常时，T1管饱和导通，CONTROL4为低电平，模拟开关4(IN4／0UT4/CONTROL4)不导通，OUT4不起作用；交流输入电压过高时，Tl管截止，CONTROL4为高电平，模拟开关4导通，OUT4接地，IN4a端输出为低电平，开关管关断。

4．结束语

控制电路是开关电源的核心部分，采用合适的控制电路可简化开关电源的设计，并使之具有优异的性能。采用该PWM-PFM控制电路组成的开关电源，由于输出电压纹波非常小(仅有几十毫伏)、交流输入电压范围大(能在320V~575V范围内正常工作)、开关频率高(工作时频率在100~300KHz之间变化)、占空比变化小(从15％至35％)、满载时效率高(能达到90％以上)，广泛应用于工业电器控制柜、自动电梯等电源环境比较恶劣的场所。对采用硬开关技术的开关电源而言，该PWM-PFM控制电路具有良好的性能，同时实测也表明，当负载变化较快时，开关电源的输出电压的稳定性下降，因而，该电路不适用于负载变化较剧烈的场合。