開關電源中PWM芯片待機功能的研究

摘要：介紹了L5991芯片的待機功能，并在由UC3842芯片構成的反激開關電源電路的基礎上設計了待機電路，使該開關電源電路實現了待機功能。

關鍵詞：脈寬調制；待機；變頻

1??? 引言

??? 待機是指產品已連接到電源上，但處于未運行在其主要功能時的狀態。待機的目的就是要降低電源在空載或輕載時的損耗。隨著電器和網絡產品的普及，電子產品待機狀態下的耗電量越來越引起國際節能，環保組織和有關國家的重視。待機能耗不僅浪費電能，而且也制造巨大的環保壓力。我們知道開關損耗與電源的工作頻率成正比，因此，可以設法在電源輸出功率變小乃至于進入待機狀態時，使其工作頻率降低。這可以通過許多控制功能芯片來實現，例如集成芯片L5991等。目前，很多PWM芯片還不具有變頻的待機功能，因而，我們可以借鑒L5991芯片的這個功能電路來實現其他PWM芯片的待機功能。

2??? L5991芯片的待機功能電路介紹

??? L5991芯片，是由BCD60II技術發展而來的，設計目的是用一個固定頻率的電流模式控制，實現離線式DC/DC電源應用。L5991是一個標準電流型PWM控制器，該控制器具有可編程軟啟動，輸出/輸入同步，閉鎖（用于過壓保護和電源管理），精確的極限占空比控制，脈沖電流限制，用軟啟動來進行過流保護，和當空載或輕載時使振蕩器頻率降低的待機功能等優點。

??? 圖1是該芯片待機功能的基本內部電路。管腳2外接兩個電阻（R_A和R_B）和一個電容(C_T)，照圖1中連接，是用來分別設置振蕩器正常運行的工作頻率（f_osc）和待機模式的工作頻率（f_sb）。實際上，只要待機信號是高電平，該管腳能通過一個N溝道FET內部連于參考電壓V_ref，所以，定時電容C_T通過R_A和R_B放電。當待機信號變低，N溝道FET就關閉且該管腳懸空，C_T只通過R_A放電，這樣振蕩器頻率就會變低。V_CT在正常運行中由V_ref通過R_A和R_B控制,而在待機時通過R_A來進行調控。當C_T上的電壓達到3V時，電容會快速地內部放電。當電壓降到1V時，它開始再次充電。

圖1??? L5991芯片的待機功能基本電路

??? 正常運行中R_T將等于R_A//R_B，其頻率公式為

??? f_osc≌???? （1）

而在待機時R_T=R_A，其頻率公式為：

??? f_SB≌???? (2)

式中：K_T=

??? L5991通過對與負載相聯系的反饋電壓進行檢測，在負載降低到一個定義值（由電路中的元器件參數來控制）時自動降低振蕩器頻率，而當負載增加并超過第二個極限值時恢復其正常工作頻率。這樣，由L5991控制工作頻率的系統，就可以依靠其待機功能來實現系統待機和工作時的頻率轉換。當系統待機時，頻率降低，可以通過對電路參數的設置使待機頻率變得很低，從而降低了開關損耗。

??? L5991作為一個電流型控制器，其誤差放大器的輸出電壓V_comp，除偏移量外，是跟主電流峰值成比例的。所以，可以通過監控V_comp來推測電源的負載情況。

??? 假如，由于負載減小使得主電流峰值降低，且V_comp降低到一個固定極限（V_T1）時，振蕩器頻率將被設置到一個較低的數值上（f_sb）。假如，主電流峰值增加且V_comp超過V_T2時，振蕩器頻率將重置在正常值上（f_osc）。頻率的變化引起V_comp的變化，并且由于能量平衡原因而方向相反，因而，提供一個恰當的滯后便可以防止振蕩器頻率在f_sb與f_osc之間變動。

3??? 反激式開關電源待機功能的實現

??? 根據上述L5991芯片的待機原理，我們可以試想，在UC3842構成的反激式開關電源的基礎上加入待機功能。通過對與負載相聯系的反饋電壓進行檢測，利用芯片內部的誤差放大器的輸出值，對頻率進行改變。

??? UC3842芯片的管腳1為誤差放大器輸出，圖2為芯片待機功能的基本電路。

圖2??? 芯片待機功能的基本電路

??? 該電路的主要原理是：檢測反饋電壓經誤差放大器后的輸出值，通過一個遲滯比較器（施密特觸發器），驅動開關管的開通或者關斷，來實現R_T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（正常工作或是待機），取決于遲滯比較器的閾值的設定，而該閾值取決于電源待機和正常工作時的誤差放大器的輸出值。

??? 在實際設計的電路中，電源電路空載時，輸出約為1.6V，而非輕載時為1.8V以上，因而，我們根據這個值來設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芯片的基準電源V_DD為＋5V，由UC3842的腳8輸出基準電壓給定。遲滯比較器的上下閾值計算如下：

??? V_TH=V_DD??? （3）

??? V_TL=??? （4）

根據以上確定的閾值，確定各個電阻的阻值。

??? 電源電路負載變化時，根據遲滯比較器的閾值，電源工作在相應的頻率。

4??? 試驗結果

??? 根據以上原理搭構了由UC3842芯片控制的單端反激式開關電源電路^[1][2][3]，并加入了待機電路，其中取C_T=4700μF，R_A=R_B=20kΩ，驗證了以上原理。

??? 圖4為空載切換成帶5W負載時的頻率變化，頻率由20kHz變成40kHz，而當切換回空載時，頻率則由40kHz變回了20kHz，如圖5所示。

圖4??? 空載切換成帶負載時頻率變換

圖5??? 負載切換成空載時的頻率變換

??? 圖6及圖7給出了正常工作狀態和待機工作狀態下的電源電路的振蕩脈沖和功率MOSFET器件的驅動信號波形。從圖中可以清楚的看出電源的工作頻率。

圖6??? 正常工作時的振蕩脈沖和驅動波形

圖7??? 待機工作狀態下的振蕩脈沖和驅動波形

5??? 結語

??? 由UC3842構成的開關電源，完全可以加入待機功能電路來實現待機功能，在空載的時候降低開關頻率，有效地減少開關損耗。并且，完全可以在其他PWM芯片上也加入類似的檢測控制電路來實現待機功能。