開關(guān)電源中PWM芯片待機(jī)功能的研究

1    引言

待機(jī)是指產(chǎn)品已連接到電源上，但處于未運(yùn)行在其主要功能時(shí)的狀態(tài)。待機(jī)的目的就是要降低電源在空載或輕載時(shí)的損耗。隨著電器和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的普及，電子產(chǎn)品待機(jī)狀態(tài)下的耗電量越來(lái)越引起國(guó)際節(jié)能，環(huán)保組織和有關(guān)國(guó)家的重視。待機(jī)能耗不僅浪費(fèi)電能，而且也制造巨大的環(huán)保壓力。我們知道開關(guān)損耗與電源的工作頻率成正比，因此，可以設(shè)法在電源輸出功率變小乃至于進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)，使其工作頻率降低。這可以通過(guò)許多控制功能芯片來(lái)實(shí)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(jī)功能，因而，我們可以借鑒L5991芯片的這個(gè)功能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)其他PWM芯片的待機(jī)功能。

2   L5991芯片的待機(jī)功能電路介紹
   
　　L5991芯片，是由BCD60II技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，設(shè)計(jì)目的是用一個(gè)固定頻率的電流模式控制，實(shí)現(xiàn)離線式DC/DC電源應(yīng)用。L5991是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流型PWM控制器，該控制器具有可編程軟啟動(dòng)，輸出/輸入同步，閉鎖（用于過(guò)壓保護(hù)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(dòng)來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，和當(dāng)空載或輕載時(shí)使振蕩器頻率降低的待機(jī)功能等優(yōu)點(diǎn)。

圖1是該芯片待機(jī)功能的基本內(nèi)部電路。管腳2外接兩個(gè)電阻（RA和RB）和一個(gè)電容(CT)，照?qǐng)D1中連接，是用來(lái)分別設(shè)置振蕩器正常運(yùn)行的工作頻率（fosc）和待機(jī)模式的工作頻率（fsb）。實(shí)際上，只要待機(jī)信號(hào)是高電平，該管腳能通過(guò)一個(gè)N溝道FET內(nèi)部連于參考電壓Vref，所以，定時(shí)電容CT通過(guò)RA和RB放電。當(dāng)待機(jī)信號(hào)變低，N溝道FET就關(guān)閉且該管腳懸空，CT只通過(guò)RA放電，這樣振蕩器頻率就會(huì)變低。VCT在正常運(yùn)行中由Vref通過(guò)RA和RB控制,而在待機(jī)時(shí)通過(guò)RA來(lái)進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)CT上的電壓達(dá)到3V時(shí)，電容會(huì)快速地內(nèi)部放電。當(dāng)電壓降到1V時(shí)，它開始再次充電。

圖1  L5991芯片的待機(jī)功能基本電路

正常運(yùn)行中RT將等于RA//RB，其頻率公式為
   
fosc≌?    （1）

而在待機(jī)時(shí)RT=RA，其頻率公式為：
   
fSB≌?    (2)

式中：KT=
   
L5991通過(guò)對(duì)與負(fù)載相聯(lián)系的反饋電壓進(jìn)行檢測(cè)，在負(fù)載降低到一個(gè)定義值（由電路中的元器件參數(shù)來(lái)控制）時(shí)自動(dòng)降低振蕩器頻率，而當(dāng)負(fù)載增加并超過(guò)第二個(gè)極限值時(shí)恢復(fù)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(jī)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)待機(jī)和工作時(shí)的頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，頻率降低，可以通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的設(shè)置使待機(jī)頻率變得很低，從而降低了開關(guān)損耗。

L5991作為一個(gè)電流型控制器，其誤差放大器的輸出電壓Vcomp，除偏移量外，是跟主電流峰值成比例的。所以，可以通過(guò)監(jiān)控Vcomp來(lái)推測(cè)電源的負(fù)載情況。 [!--empirenews.page--]
   
假如，由于負(fù)載減小使得主電流峰值降低，且Vcomp降低到一個(gè)固定極限（VT1）時(shí)，振蕩器頻率將被設(shè)置到一個(gè)較低的數(shù)值上（fsb）。假如，主電流峰值增加且Vcomp超過(guò)VT2時(shí)，振蕩器頻率將重置在正常值上（fosc）。頻率的變化引起Vcomp的變化，并且由于能量平衡原因而方向相反，因而，提供一個(gè)恰當(dāng)?shù)臏蟊憧梢苑乐拐袷幤黝l率在fsb與fosc之間變動(dòng)。

3    反激式開關(guān)電源待機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)
   
根據(jù)上述L5991芯片的待機(jī)原理，我們可以試想，在UC3842構(gòu)成的反激式開關(guān)電源的基礎(chǔ)上加入待機(jī)功能。通過(guò)對(duì)與負(fù)載相聯(lián)系的反饋電壓進(jìn)行檢測(cè)，利用芯片內(nèi)部的誤差放大器的輸出值，對(duì)頻率進(jìn)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(jī)功能的基本電路。

圖2  芯片待機(jī)功能的基本電路

該電路的主要原理是：檢測(cè)反饋電壓經(jīng)誤差放大器后的輸出值，通過(guò)一個(gè)遲滯比較器（施密特觸發(fā)器），驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開通或者關(guān)斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)RT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(jī)），取決于遲滯比較器的閾值的設(shè)定，而該閾值取決于電源待機(jī)和正常工作時(shí)的誤差放大器的輸出值。

在實(shí)際設(shè)計(jì)的電路中，電源電路空載時(shí)，輸出約為1.6V，而非輕載時(shí)為1.8V以上，因而，我們根據(jù)這個(gè)值來(lái)設(shè)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(gòu)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(zhǔn)電源VDD為＋5V，由UC3842的腳8輸出基準(zhǔn)電壓給定。遲滯比較器的上下閾值計(jì)算如下：

VTH=VDD    （3）

VTL=    （4）

根據(jù)以上確定的閾值，確定各個(gè)電阻的阻值。

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

4    試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上原理搭構(gòu)了由UC3842芯片控制的單端反激式開關(guān)電源電路[1][2][3]，并加入了待機(jī)電路，其中取CT=4700μF，RA=RB=20kΩ，驗(yàn)證了以上原理。

圖4為空載切換成帶5W負(fù)載時(shí)的頻率變化，頻率由20kHz變成40kHz，而當(dāng)切換回空載時(shí)，頻率則由40kHz變回了20kHz，如圖5所示。

圖4  空載切換成帶負(fù)載時(shí)頻率變換

圖5  負(fù)載切換成空載時(shí)的頻率變換 [!--empirenews.page--]

圖6及圖7給出了正常工作狀態(tài)和待機(jī)工作狀態(tài)下的電源電路的振蕩脈沖和功率MOSFET器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)的振蕩脈沖和驅(qū)動(dòng)波形

圖7  待機(jī)工作狀態(tài)下的振蕩脈沖和驅(qū)動(dòng)波形

5    結(jié)語(yǔ)

由UC3842構(gòu)成的開關(guān)電源，完全可以加入待機(jī)功能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)待機(jī)功能，在空載的時(shí)候降低開關(guān)頻率，有效地減少開關(guān)損耗。并且，完全可以在其他PWM芯片上也加入類似的檢測(cè)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)待機(jī)功能。