开关电源中PWM芯片待机功能的研究

开关电源中PWM芯片待机功能的研究

摘要：介绍了L5991芯片的待机功能，并在由UC3842芯片构成的反激开关电源电路的基础上设计了待机电路，使该开关电源电路实现了待机功能。

关键词：脉宽调制；待机；变频

1    引言

    待机是指产品已连接到电源上，但处于未运行在其主要功能时的状态。待机的目的就是要降低电源在空载或轻载时的损耗。随着电器和网络产品的普及，电子产品待机状态下的耗电量越来越引起国际节能，环保组织和有关国家的重视。待机能耗不仅浪费电能，而且也制造巨大的环保压力。我们知道开关损耗与电源的工作频率成正比，因此，可以设法在电源输出功率变小乃至于进入待机状态时，使其工作频率降低。这可以通过许多控制功能芯片来实现，例如集成芯片L5991等。目前，很多PWM芯片还不具有变频的待机功能，因而，我们可以借鉴L5991芯片的这个功能电路来实现其他PWM芯片的待机功能。

2    L5991芯片的待机功能电路介绍

    L5991芯片，是由BCD60II技术发展而来的，设计目的是用一个固定频率的电流模式控制，实现离线式DC/DC电源应用。L5991是一个标准电流型PWM控制器，该控制器具有可编程软启动，输出/输入同步，闭锁（用于过压保护和电源管理），精确的极限占空比控制，脉冲电流限制，用软启动来进行过流保护，和当空载或轻载时使振荡器频率降低的待机功能等优点。

    图1是该芯片待机功能的基本内部电路。管脚2外接两个电阻（R_A和R_B）和一个电容(C_T)，照图1中连接，是用来分别设置振荡器正常运行的工作频率（f_osc）和待机模式的工作频率（f_sb）。实际上，只要待机信号是高电平，该管脚能通过一个N沟道FET内部连于参考电压V_ref，所以，定时电容C_T通过R_A和R_B放电。当待机信号变低，N沟道FET就关闭且该管脚悬空，C_T只通过R_A放电，这样振荡器频率就会变低。V_CT在正常运行中由V_ref通过R_A和R_B控制,而在待机时通过R_A来进行调控。当C_T上的电压达到3V时，电容会快速地内部放电。当电压降到1V时，它开始再次充电。

图1    L5991芯片的待机功能基本电路

    正常运行中R_T将等于R_A//R_B，其频率公式为

    f_osc≌?    （1）

而在待机时R_T=R_A，其频率公式为：

    f_SB≌?    (2)

式中：K_T=

    L5991通过对与负载相联系的反馈电压进行检测，在负载降低到一个定义值（由电路中的元器件参数来控制）时自动降低振荡器频率，而当负载增加并超过第二个极限值时恢复其正常工作频率。这样，由L5991控制工作频率的系统，就可以依靠其待机功能来实现系统待机和工作时的频率转换。当系统待机时，频率降低，可以通过对电路参数的设置使待机频率变得很低，从而降低了开关损耗。

    L5991作为一个电流型控制器，其误差放大器的输出电压V_comp，除偏移量外，是跟主电流峰值成比例的。所以，可以通过监控V_comp来推测电源的负载情况。

    假如，由于负载减小使得主电流峰值降低，且V_comp降低到一个固定极限（V_T1）时，振荡器频率将被设置到一个较低的数值上（f_sb）。假如，主电流峰值增加且V_comp超过V_T2时，振荡器频率将重置在正常值上（f_osc）。频率的变化引起V_comp的变化，并且由于能量平衡原因而方向相反，因而，提供一个恰当的滞后便可以防止振荡器频率在f_sb与f_osc之间变动。

3    反激式开关电源待机功能的实现

    根据上述L5991芯片的待机原理，我们可以试想，在UC3842构成的反激式开关电源的基础上加入待机功能。通过对与负载相联系的反馈电压进行检测，利用芯片内部的误差放大器的输出值，对频率进行改变。

    UC3842芯片的管脚1为误差放大器输出，图2为芯片待机功能的基本电路。

图2    芯片待机功能的基本电路

    该电路的主要原理是：检测反馈电压经误差放大器后的输出值，通过一个迟滞比较器（施密特触发器），驱动开关管的开通或者关断，来实现R_T的改变，从而改变电源的振荡频率。

    我们可以看到，电源处于何种工作状态（正常工作或是待机），取决于迟滞比较器的阈值的设定，而该阈值取决于电源待机和正常工作时的误差放大器的输出值。

    在实际设计的电路中，电源电路空载时，输出约为1.6V，而非轻载时为1.8V以上，因而，我们根据这个值来设定迟滞比较器的阈值。迟滞比较器由555芯片加上外围的电阻构成，该比较器的电路图如图3所示。

图3    迟滞比较器电路

    图3中，555芯片的基准电源V_DD为＋5V，由UC3842的脚8输出基准电压给定。迟滞比较器的上下阈值计算如下：

    V_TH=V_DD    （3）

    V_TL=    （4）

根据以上确定的阈值，确定各个电阻的阻值。

    电源电路负载变化时，根据迟滞比较器的阈值，电源工作在相应的频率。

4    试验结果

    根据以上原理搭构了由UC3842芯片控制的单端反激式开关电源电路^[1][2][3]，并加入了待机电路，其中取C_T=4700μF，R_A=R_B=20kΩ，验证了以上原理。

    图4为空载切换成带5W负载时的频率变化，频率由20kHz变成40kHz，而当切换回空载时，频率则由40kHz变回了20kHz，如图5所示。

图4    空载切换成带负载时频率变换

图5    负载切换成空载时的频率变换

    图6及图7给出了正常工作状态和待机工作状态下的电源电路的振荡脉冲和功率MOSFET器件的驱动信号波形。从图中可以清楚的看出电源的工作频率。

图6    正常工作时的振荡脉冲和驱动波形

图7    待机工作状态下的振荡脉冲和驱动波形

5    结语

    由UC3842构成的开关电源，完全可以加入待机功能电路来实现待机功能，在空载的时候降低开关频率，有效地减少开关损耗。并且，完全可以在其他PWM芯片上也加入类似的检测控制电路来实现待机功能。