电 源 技 术 与 应 用 Power Supply Technology and Its Aplication 基于 UC3842 的反激式开关电源的控制环路设计 刘 武 祥 , 金 星 , 刘 群 (中 国 地 质 大 学 ( 武 汉 ) , 湖 北 武 汉 430074) 摘 要 : 电 流 控 制 型 脉 宽 调 制 芯 片 UC3842 已 广 泛 应 用 于 反 激 式 开 关 电 源 的 设 计 中 , 通 过 一 实 例 给 出 反 激 式 开 关 电 源 控 制 环 路 的 一 般 设 计 方 法 。 关 键 词 : UC3842 开 关 电 源 控 制 环 路 The control- loop design of flyback SMPS based on UC3842 LIU Wu Xiang, JIN Xing, LIU Qun (China University of Geosicences(wuhan), Wuhan 430074, China) Abs tract: Current control pulse - duration modulation chip UC3842 has been widely applied in the design of flyback SMPS (Switch - Mode Power Supply). This paper presents a geranial method to design a control - loop of the flyback SMPS through an example. Key words : UC3842; SMPS; control- loop 在 开 关 电 源 的 设 计 过 程 中 , 控 制 环 路 设 计 的 优 劣 直 接 关 系 到 系 统 的 稳 定 与 否 , 因 此 设 计 一 个 优 良 的 控 制 环 路 , 对 开 发 一 个 开 关 电 源 系 统 是 至 关 重 要 的 。 开 关 电 源 的 控 制 方 式 有 电 流 控 制 方 式 和 电 压 控 制 方 式 两 种 。电 源 系 统 的 传 递 函 数 随 控 制 方 式 的 不 同 而 有 很 大 差 异 , 因 此 在 环 路 设 计 分 析 时 , 应 独 立 分 开 。本 文 对 基 于 UC3842 构 建 的 开 关 电 源 的 控 制 环 路 进 行 设 计 分 析 , 论 述 开 关 电 源 电 流 型 控 制 环 路 设 计 的 一 般 方 法 。 1 UC3842 简 述 UC3842 是 美 国 Unltmde 公 司 生 产 的 一 种 性 能 优 良 的 电 流 控 制 型 脉 宽 调 制 芯 片 , 其 内 部 结 构 及 基 本 外 围 电 路 如 图 1 所 示 , 它 集 成 了 振 荡 器 、具 有 温 度 补 偿 的 高 增 益 误 差 放 大 器 、电 流 检 测 比 较 器 、图 腾 柱 输 出 电 路 、输 入 和 基 准 欠 电 压 锁 定 电 路 及 PWM 锁 存 器 电 路 。 《电子技术应用》2007 年第 12 期 欢迎订购《电子技术应用》2000～2006 年合订光盘(010- 82306084) 163 

电 源 技 术 与 应 用 Power Supply Technology and Its Aplication 其 应 用 实 例 如 图 2 所 示 , 输 入 为 85V～265V 交 流 , 输 出 为 12V/5A, 初 级 电 感 量 为 370!H , 初 级 匝 数 为 40T, 次 级 匝 数 为 5T, 开 关 频 率 为 100kHz。 启 动 电 路 由 R105 和 C103 构 成 ,C103 经 过 R105 充 电 到 16V 时 ,UC3842 有 输 出 信 号 , 使 MOS 管 Q1 导 通 , 能 量 存 贮 在 变 压 器 T1 中 ,T1 的 一 次 测 电 流 通 过 电 阻 R5 检 测 并 与 UC3842 内 部 提 供 的 1V 基 准 电 压 进 行 比 较 , 当 达 到 这 一 电 平 时 , 开 关 管 Q1 关 断 , 所 有 变 压 器 的 绕 组 极 性 反 向 , 输 出 整 流 二 极 管 正 向 偏 置 , 存 储 于 T1 中 的 能 量 传 输 到 输 出 电 容 器 中 。启 动 结 束 后 , 输 出 电 压 信 号 经 光 耦 回 送 到 误 差 放 大 器 的 反 向 端 (脚 2)与 UC3842 内 部 的 25V 基 准 电 压 作 比 较 来 调 整 驱 动 脉 冲 宽 度,从 而 改 变 输 出 电 压 以 实 现 对 输 出 电 压 的 控 制 。 2 控 制 环 路 的 设 计 通 常 , 主 电 路 是 根 据 应 用 要 求 设 计 的 , 设 计 时 一 般 不 会 提 前 考 虑 控 制 环 路 的 设 计 。 在 这 里 , 假 设 主 功 率 部 分 已 经 全 部 设 计 完 成 , 主 要 介 绍 环 路 设 计 。 环 路 设 计 一 般 方 法 为 : (1) 画 出 已 知 部 分 的 频 响 曲 线 。 (2) 根 据 实 际 要 求 和 各 限 制 条 件 确 定 带 宽 频 率 , 即 增 益 曲 线 的 0dB 频 率 。 (3) 根 据 带 宽 频 率 决 定 补 偿 放 大 器 的 类 型 和 各 频 率 点 。 使 带 宽 处 的 曲 线 斜 率 为 20dB/decade, 画 出 整 个 电 路 的 频 响 曲 线 。 图 3 是 反 激 电 流 方 式 控 制 环 路 图 , 其 开 环 传 递 函 数 为 K=(Kmod ×Kpwr ×KLC×Kfb)×Kea=K1 ×Kea, Kpwr 是 功 率 部 分 , KLC 是 输 出 LC 滤 波 部 分 , Kfb 是 反 馈 分 压 部 分 , Kea 是 反 馈 补 偿 部 分 和 光 耦 部 分 , Kmod 是 调 制 器 部 分 。 环 路 要 稳 定 , 必 须 的 条 件 是 环 路 增 益 为 1 (0dB), 整 个 环 路 的 相 移 小 于 360°。如 果 相 移 接 近 360°, 会 产 生 两 个 问 题 : (1)相 移 可 能 因 为 温 度 、负 载 及 分 布 参 数 的 变 化 164 欢迎网上投稿 www.aetnet.cn www.aetnet.com.cn 而 达 到 360°产 生 振 荡 ; (2) 接 近 360°, 电 源 的 阶 跃 响 应 ( 瞬 时 加 减 载 ) 表 现 为 强 烈 振 荡 , 使 输 出 达 到 稳 定 的 时 间 加 长 , 超 调 量 增 加 。所 以 环 路 要 留 一 定 的 相 位 裕 量 , 当 品 质 因 数 Q=1 时 输 出 是 最 好 的 , 所 以 相 位 裕 量 的 最 佳 值 为 52°左 右 , 在 设 计 过 程 中 一 般 取 45°以 上 。 根 据 图 3 可 知 , 除 补 偿 放 大 器 增 益 Kea 外 , 图 2 所 示 电 源 系 统 的 环 路 增 益 函 数 为 : G(s)=Kmod×(Kpwr×KLC)×Kfb =1× N×R0×(1- D) Rsense×(1+D) × (1+sCRc)×[1- 1+ sCR0 1+D sLpD N2×R0×(1- D)2 ×1 (1) 式 中 , D=NV0/ ( Vin+NV0),C 为 输 出 电 容 , R0 为 负 载 电 阻 , N 为 匝 数 比 , Lp 为 初 级 电 感 , Rsense 为 电 流 检 测 电 阻 。 为 了 避 免 引 起 过 多 的 相 移 , 一 般 取 增 益 带 宽 为 其 工 作 频 率 的 1/4～1/5 。据 此 , 可 以 计 算 出 环 路 的 增 益 。一 般 情 况 下 , 环 路 增 益 G(s)在 0dB 时 的 频 率 与 预 期 设 定 的 增 益 带 宽 是 有 差 异 的 , 这 就 需 要 对 其 进 行 补 偿 。 常 用 的 电 流 控 制 补 偿 方 法 有 主 极 点 补 偿 、极 零 点 补 偿 、双 极 点 零 点 补 偿 , 这 要 根 据 实 际 情 况 确 定 使 用 何 种 补 偿 方 法 。 图 4 为 补 偿 放 大 部 分 。图 中 C201、C202、R202 构 成 补 偿 网 络 。可 分 以 下 两 种 情 况 进 行 补 偿 设 计 。 (1) 输 出 电 容 ESR 较 大 《电子技术应用》2007 年第 12 期 

电 源 技 术 与 应 用 Power Supply Technology and Its Aplication 输 出 滤 波 电 容 的 内 阻 比 较 大 , 自 身 阻 容 形 成 的 零 点 比 较 低 , 这 样 在 带 宽 处 的 相 位 滞 后 比 较 小 。 以 图 2 所 示 电 源 系 统 为 例 , 输 出 滤 波 电 容 为 1000!F/16V, ESR = 130m" 时 , 其 环 路 增 益 波 特 图 如 图 5 所 示 , 设 带 宽 为 8kHz, 从 图 中 可 以 看 出 8kHz 处 增 益 曲 线 为 水 平 , 所 以 可 以 直 接 用 单 极 点 补 偿 , 这 样 可 满 足 - 20dB/decade 的 曲 线 形 状 。 省 掉 补 偿 部 分 的 R202、C202。 补 偿 后 在 8kHz 处 环 路 增 益 为 0dB。图 6(a)为 其 结 果 仿 真 图 。 (2) 输 出 电 容 ESR 较 小 输 出 滤 波 电 容 为 1000!F/16V, ESR=30m" 时 , 由 于 输 出 滤 波 电 容 的 内 阻 比 较 小 , 自 身 阻 容 形 成 的 零 点 就 比 较 高 , 这 样 在 带 宽 处 的 相 位 滞 后 比 较 大 。 如 果 还 用 单 极 点 补 偿 , 则 带 宽 处 相 位 裕 量 就 会 偏 小 。 可 采 用 双 极 点 零 点 补 偿 来 提 升 。三 个 点 的 选 取 , 第 一 个 极 点 在 原 点 , 零 点 一 般 取 在 带 宽 的 1/5 左 右 , 这 样 在 带 宽 处 提 升 相 位 78° 左 右 , 此 零 点 越 低 , 相 位 提 升 越 明 显 , 但 太 低 了 就 会 降 低 低 频 增 益 , 使 输 出 调 整 率 降 低 。 第 二 个 极 点 的 选 取 一 般 用 来 抵 消 ESR 零 点 或 RHZ 零 点 引 起 的 增 益 升 高 , 保 证 增 益 裕 度 。 在 这 里 用 它 来 抵 消 ESR 零 点 , 使 带 宽 处 保 持 - 20dB/ decade 的 曲 线 形 状 。在 此 例 中 , 两 个 补 偿 极 点 的 位 置 分 别 取 f1=0Hz, f2=1.6kHz, 零 点 为 f0=5.1kHz。图 6 (b)为 其 结 果 仿 真 图 。 《电子技术应用》2007 年第 12 期 欢迎订购《电子技术应用》2000～2006 年合订光盘(010- 82306084) ( 下 转 第 168 页 ) 165 

电 源 技 术 与 应 用 Power Supply Technology and Its Aplication 2 . 4 恒 流 源 的 动 态 特 性 由 图 5 可 以 看 出 , 恒 流 源 在 输 入 不 同 电 压 时 , 在 R2 两 端 产 生 的 电 压 VGS 应 始 终 保 持 10V 左 右 , 以 保 证 在 宽 电 压 范 围 内 可 靠 工 作 。 为 了 验 证 快 速 动 态 跟 踪 性 能 , 在 输 入 端 上 加 了 50Hz、60V 的 交 流 电 压 , 图 6 为 当 输 入 电 压 为 交 流 时 , 图 3 中 A、B 点 及 VGS 的 工 作 波 形 。 从 中 可 以 看 出 , 当 输 入 电 压 在 很 大 范 围 内 改 变 时 , VGS 近 似 保 持 在 10V 左 右 , 即 图 中 阴 影 带 部 分 。 实 验 结 果 表 明 , 采 用 MOSFET 和 特 殊 的 恒 流 开 关 驱 动 方 式 的 开 关 电 源 , 能 够 使 开 关 管 在 10V～100V 宽 电 压 范 围 内 始 终 得 到 理 想 的 驱 动 电 压 , 因 此 效 率 高 、工 作 稳 定 、电 路 简 单 。 参 考 文 献 [1] 顾 亦 磊 , 顾 晓 明 , 吕 征 宇 , 等 . 一 种 新 颖 的 宽 范 围 双 管 正 激 型 DC/DC 变 换 器 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报 ,2005,25(2): 44- 48. [2] 陈 颖 , 尹 华 杰 . 一 种 具 有 较 宽 输 入 电 压 范 围 的 电 源 适 配 器 的 设 计 [J]. 通 信 电 源 技 术 ,2006,23(4):44- 46. [3] 芦 炜 , 吴 新 科 , 钱 照 明 . 一 种 交 错 并 联 控 制 的 宽 范 围 输 入 直 流 变 换 器 [J]. 电 力 电 子 技 术 ,2006,40(6):87- 89. [4] 刘 华 毅 , 李 霞 , 徐 景 德 . 基 于 单 片 机 的 宽 范 围 连 续 可 调 直 流 稳 压 电 源 [J]. 电 力 电 子 技 术 ,2001,35(6):7- 8. [6] 王 恒 . 基 于 LM2576 的 高 可 靠 MCU 电 源 设 计 [J]. 中 国 西 部 科 技 ,2006(29):22- 23. ( 收 稿 日 期 : 2007- 05- 28 ) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ( 上 接 第 165 页 ) [4] UC384X datasheet,www.21ic.com. 2002. 采 用 UC3842 设 计 的 电 流 控 制 型 开 关 电 源 , 相 对 于 电 压 控 制 模 式 , 具 有 更 好 的 电 源 调 整 率 、更 简 单 的 零 极 点 补 偿 电 路 。 实 验 证 明 , 将 控 制 论 与 反 馈 环 路 的 设 计 结 合 起 来 , 通 过 设 计 合 适 的 相 位 裕 量 来 保 证 开 关 电 源 稳 定 性 , 具 有 较 好 的 通 用 性 , 而 且 在 实 际 应 用 中 也 取 得 了 很 好 的 效 果 。 参 考 文 献 [1] 张 占 松 . 开 关 电 源 的 原 理 与 设 计 (M). 修 订 版 . 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 2004. [2] 聂 神 怡 , 杨 洪 强 . 基 于 电 流 控 制 模 式 的 开 关 电 源 的 稳 定 性 分 析 . 电 源 ,2005 , (6). [3] LLOYD H. DIXON, Jr. Current - mode control of switching power supplies.www.dianyuan.com, 2004. 168 欢迎网上投稿 www.aetnet.cn www.aetnet.com.cn ( 收 稿 日 期 : 2007- 05- 24 ) 欢 迎 订 阅 电子技术应用 《电 子 技 术 应 用 》月 刊 创 刊 于 1975 年 。 本 刊 连 续 荣 获 第 二 、 第 三 届 国 家 期 刊 奖 及 历 届 信 息 产 业 部 精 品 期 刊 奖 。 本 刊 主 要 栏 目 有 : 本 期 专 题 、前 沿 报 道 、行 业 聚 焦 、嵌 入 式 技 术 、集 成 电 路 应 用 、通 信 与 网 络 、计 算 机 技 术 与 应 用 、信 息 安 全 、电 源 技 术 与 应 用 等 。邮 发 代 号 : 2- 889 , 定 价 16 元/ 期 。欢 迎 广 大 读 者 到 各 地 邮 局 订 阅 。 # """"""""""""""""""# " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " #""""""""""""""""""# 《电子技术应用》2007 年第 12 期