原创 【博客大赛】说说PWM控制DC-DC开关电源的那些事儿之三_方案论证及系统设计（3）

2.UC3845工作描述

UC3845系列是专门设计用于离线和直流到直流变换器应用的高性能，固定频率，电流模式控制器，为设计者提供使用最小外部元件的高性能价格比的解决方案。代表性方框图如图4- 所示。

a.振荡器

振荡器频率由定时元件RT和CT选择值决定。电容CT由5.0V的参考电压通过电阻RT充电，充至约2.8V，再由一个内部的电流宿放电至1.2V。在CT放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生了一个数量可控的输出静区时间。

UC3845有一个内部触发器，它通过保持“或非”门的一个输入为高电压，每隔一个时钟周期关闭一次输出。这与CT的放电周期相结合，是输出静区时间可以从50%调节到70%。

b.误差放大器

提供一个有可访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。此放大器具有90dB的典型直流增益和具有57°相位余量的1.0MHz的增益等于1带宽。同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反向输入监视。最大输入偏置电流为-2.0μA，它将导致输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。

误差放大器输出（管脚1）用于外部回路补偿。输出电压因两个二极管压降而失调（≈1.4V），保证在输出（管脚6）不出现驱动脉冲。这发生在电源正在工作并且负载不取消时，或者在软启动过程的开始。

c.电流取样比较器和脉宽调制锁存器

UC3845作为电流模式控制器工作，输出开关的导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿（管脚1）建立的门限电平时中止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考取样电阻RS转换成电压。此电压由电流取样输入（管脚3）监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚1上的电压控制，其中：

d.欠压锁定

采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源端（VCC）和参考输出（Vref）个由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止通过他们各自的门限时产生错误输出动作。V比较器上下门限分别为： UC3845 8.4V/7.6V，Vref比较器高低门限为3.6V/3.4V。大滞后和小启动电流使得，UC3845准备应用于更低电压直流到直流变换器中的。一个36V的齐纳二极管作为并联稳压管，从VCC连接至地。它的作用是保护集成电路免受系统启动期间产生的过高电压破坏。最小工作电压（VCC）： UC3845为8.2V。

e.输出

UC3845有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载时，它能提供达±1.0A的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升、下降时间。还附加了一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌模式，这个特性使外部的下拉电阻不在需要。

f.参考电压

5.0V带隙参考电压在TJ=25℃时调整误差至±2.0%（对UC3845），它首要的目的是为振荡骑定时电容提供充电电流。参考部分具有保护功能并能向附加控制电路提供超过20mA的电流。

4.5输出整流和滤波电路

经过高频开关变压器降压后的脉动电压同样要使用二极管和电容进行整流和滤波，只是此时整流时的工作频率很高，必须使用具有快速恢复功能的肖特基整流二极管，普通的整流二极管难当此任，而整流部分使用的电容也不能有太大的交流阻抗，否则就无法滤除其中的高频交流成分，因此选择的电容不但容量要大，还要有较低的交流电阻才行。

4.5.1半波整流电路

半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小（只有半个波），脉动程度大，整流效率低，仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。

4.5.2  电容滤波

半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下：

电容C并联于负载 RL的两端，UL＝UC。在没有并入电容C之前，整流二极管在U2的正半周导通，负半周截止，输出电压UL的波形如图中所示。并入电容之后，设在 ωt=0时接通电源，则当U2由零逐渐增大时，二极管D导通，除有一电流IL流向负载以外还有一电流iC向电容C充电，充电电压UC的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻，则UC 可充到接近U2的峰值U2m。在U2达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压UC也将由于放电而逐渐下降。当U2＜UC时，D因反偏而截止，于是C以一定的时间常数通过RL 按指数规律放电，UC下降。直到下一个正半周，当 U2 ＞UC时，D又导通。如此下去，使输出电压的波形如图中线所示。显然比未并电容C前平滑多了。

4.6反馈网络

电压反馈环的唯一功能就是使输出电压保持在一个固定值。即通过控制器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。但考虑负载瞬态响应输出精度多路输出隔离输出等方面，电压反馈的设计就变得很复杂了。

电压反馈环的核心部分是一个称为误差放大器的高增益运算放大器，这部分仅仅是个高增益的放大器而已，它把两个的误差放大，并产生电压误差信号。在电压系统中，这两个电压一个是参考电压，而另一个则是输出电压。输出电压在输入到误差放大器之前先进行分压，分压的比例为电压参考值与额定输出电压的比值。这样，在额定输出电压时，误差放大器产生一个“零误差”点。如果输出偏离额定值，放大器的输出误差电压就会明显地改变，电源系统用改该误差电压来校正脉宽，从而使输出电压回到额定值。

电压反馈环要与输入电压和控制器IC隔离，可以用光隔离器进行隔离。光藕合器在开关电源的主振回路使输入回路与输出回路进行电气隔离，并为电源的稳压控制电路提供信号通路。它主要有光源（即发光二极管）和光敏器件组成。最通用的光电耦合器是把一个发光二极管LED合一个光敏三极管VT封装在一个完全与外界隔离的外壳中。工作过程简述如下：当有电流流过LED时，便产生一个光源，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的光敏三极管VT上后，控制VT产生一个与LED正向电流成比例的集电极电流。为了减少光隔离器漂移的影响，二次恻要用到一个误差放大器，这个误差放大器可以用TL431CP。TL431是2.50～3.6V精密电压调节器。其性能优良，价格低廉，可广泛用于开关电源或线性稳压电源中。此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路精密恒流源等。目前在开关电源中普遍用它来构成外部误差放大器，在与线性光电偶合器组成隔离式光偶反馈电路。TL431有多种型号，它属于三端可调式器件，利用两只外部电阻可设定2.50～36V范围内的任何基准电压值。TL431的电压温度系数30×10-6/℃。其动态阻抗低，典型值为0.2Ω。阴极工作电压的允许范围是2.5～36V，阴极工作电流为1～100mA。TL431内部主要是由误差放大器、内部基准电压、NPN晶体管和保护二极管组成 。

图4－给出了反馈电路的拓扑。

为了改善输出交叉调整性能，可以对每个正极性输出端都进行检测，这样可以有效地提高每个输出端在负载变化时的响应特性。

这部分的设计从控制IC开始，设计时把UC3845内部的误差放大器旁路掉，这就意味着光隔离器要能驱动原来由这个误差放大器所驱动的同样的电路。由于误差放大器有一个1.0mA的电流源，为了使电路工作，TL431要从光隔离器的LED上抽取1.0mA，所有的控制电路都叠加在这个电流上。

4.7启动和集成供电电路的设计

启动和辅助电源给控制器电路（IC）和功率开关驱动电路提供工作电压，有时把这个电路叫自启动电路。由于这部分电路所有输入和输出的功率都属于损耗，因此在保证其所有功能的条件下，应尽可能提高它的效率。

自启动电路在高输入电压的情况下显得更加重要，因为输入高于直流20V时，输入电压不能直接供电给控制IC和功率开关，而时需要采用启动、辅助电源电路。这部分电路的主要功能是用一个分流或串连的线性电源给控制器和功率开关驱动电路提供比较稳定的电压。

电源从完全关机状态启动，通常要求当输入功率加到电源上时，就要从输入电源母线上吸取电流。启动电路允许的输入电压比电源输入电压的最大值(包括可能通过电源输入滤波器的浪涌电压)还要高。对于这个电路，需要考虑其所需的功能。启动电路有一些常用的功能，它的功能要适合整个系统的工作需要。

1. 电源输出短路的情况一旦结束，回到正常工作时，要立刻使控制功率开关电路的所有功能工作。

2. 当发生短路时，电源要进入间隔重启动模式，短路情况一旦消失，电源就重新启动。

3. 在短路期间，进入完全关机状态，然后关闭系统。输入功率也要切断，在重新启动电源的时候再合上。

对于离线式开关电源，如果启动电路始终从电源输入线获取电流，会产生很可观的损耗，所以在电路稳定工作后切断启动电路。当整个电源进入稳定工作状态后，IC和驱动电路就可以从变压器的附加绕组上获取所需电源。这样，转换效率可达75%，如图4-     。该电路是个高电压、有电流限制的线性电源。在电路稳定工作期间，发射极上的二极管和基极反偏，这样完成了对启动电流的切断过程。小信号晶体管的VCEO（SUS）要求高于最高输入电压，几乎所有的损耗都消耗在集电极的电阻上。在稳压工作时，就只有很小的偏置电流流过晶体管的基极和其纳二极管。

图4－  电源自启动电路

5总体电路

5.1电路工作过程

开关电源电路设计采用单相式整流电路和电容滤波电路将交流市变换成直流电压。再采用PWM控制开关管的通断，使直流变成高频交流电压。并取高频脉冲一定的占空比来控制输出电压的高低。高频交流电压通过一定砸数比的高频变压器变成所需要的交流电压。交流电压再经整流、滤波提供电视机所需要的各种直流电压。

市电经简单的交流滤波、一次整流并滤波得到约３１０Ｖ的直流高压后，然后分成二路：一路经启动电阻８２ｋΩ向１５０μＦ的电解充电，当电容上的电压大于１１０Ｖ时，ＩＣ１的⑦脚得电，内部的振荡器工作，并通过⑥脚送到ＶＭＯＳ管６Ｎ６０的栅极，同时３１０Ｖ的高压直流经过变压器Ｔ的原边Ｎ１送到６Ｎ６０的漏极，⑥脚的振荡信号控制６Ｎ６０的导通与关断，这时，Ｔ的副边Ｎ２、Ｎ３均均感应到高频电压，Ｎ２的电压经整流后给ＩＣ１供电；Ｎ３的电压经快恢二极管整流、滤波后，所得到的直流电压就可给蓄电池组供电。