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集成PWM控制器MB3759在开关电源中应用

马昕霞 宋明中 钱存坚 蔡方伟?? 2009年02月27日 ?? 收藏0

  0 引言

  开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向。开关电源(Switched Mode Power Supply,SMPS)是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置。开关电源的核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出电压或稳流特性的要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制的方法,对开关电路进行控制。随着控制技术和元器件技术的不断发展,开关电源的各方面的性能都在不断提高,容量也在不断扩大。

  控制和保护电路主要处理信号,属于“弱电”电路,但它控制着主电路中的开关器件,一旦出现失误,将造成严重的后果,使电源停止工作或损坏。电源的很多指标,如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也与控制电路相关。因此,控制电路的设计质量对电源的性能至关重要。本文介绍了集成脉冲宽度调制方式(PWM)控制器(MB3759)的构成与原理,详细分析了以MB3759控制器构成的开关电源的控制电路、驱动电路和保护电路,对开关电源的设计具有一定的价值。

  1 集成PWM控制器(MB3759)的构成与原理

  1.1 PWM控制器(MB3759)的构成

  PWM控制电路的作用是将在一定范围内连续变化的模拟量信号转换为开关频率固定、占空比跟随输入信号连续变化的PWM信号。开关电源PWM控制集成芯片采用型号为MB3759(FUJITSU公司),采用固定频率的PWM控制方式,其MB3759芯片内部结构框图如图l所示,内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、基准电压源、误差电压放大器、驱动电路和封锁电路等组成。控制芯片内部有2个电压比较器,管脚1、2和15、16是电压比较器正负输入端子,管脚3是电压比较器统一输出端。同时误差放大器的输出也可开放给用户,用户可以根据需要设计成PI控制器。管脚5、6可接振荡电容和电阻,振荡器的振动频率由外接电阻和电容决定,根据电路频率而调节容值和阻值。管脚8为触发脉冲输出口,采用电流图腾输出,使得芯片可以直接驱动功率不大的开关管。T触发器的作用是将输出进行分频,得到占空比为50%的频率为振荡器频率的l/2的方波,将T触发器输出的这样两路互补的方波同比较器输出PWM信号进行“或非”运算,就可以得到两路互补的占空比为O~50%的PWM信号,考虑死区时间的存在,最大占空比通常为45%~47.5%。管脚13为封锁控制,管脚14为参考电压,管脚12为工作电压,管脚4为死区控制端,一旦高电平输入,芯片输出脉冲被封锁,直流电压输出为零。

MB3759芯片内部结构框图

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  1.2 PWM控制器(MB3759)的工作原理

  PWM控制器(MB3759)的反馈通道由电压误差放大器EA、PWM比较器和锁存器及驱动电路组成。管脚1作为直流输出电压的反馈信号,管脚2与芯片输出的参考电压相连,作为误差放大器的参考输入,管脚3输入主电路的电压反馈。

  受时钟脉冲触发,功率管开通,电感(功率管)电流上升到由EA输出决定的门限值时,PWM比较器翻转,锁存器复位,驱动脉冲关断功率管,电感电流下降,直到下一个时钟脉冲到来,锁存器置位,开关管重新开通。输入电压变化时,电感电流的上升斜率变化,输出占空比改变以抑制输入电压的变化,这是一个前馈调节过程,响应极快;负载扰动则是通过EA改变电流门限值进行调节的。MB3759芯片外围电路如图2所示。

MB3759芯片外围电路

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  2 电路分析

  2.1 驱动电路

  驱动电路是控制电路与主电路的接口,同开关电源的可靠性、效率等性能密切相关。驱动电路需要有很高的快速性,能提供一定的驱动功率,并具有较高的抗干扰和隔离噪声能力。

  驱动信号施加在开关器件的栅极一源极(MOSFET)间,在全桥电路中,不同开关器件的源极问的电位差很大,而且在高速变化,因此,驱动电路还要具备隔离功能。该开关电源采用变压器隔离驱动电路,如图3所示,该电路结构简单、成本低,隔离电压能达到很高,传输延时很小,而且无需附加电源。

开关电源采用变压器隔离驱动电路

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  2.2 保护电路

  为使单片开关电源长期稳定、安全可靠地工作,其控制电路中应包含保护电路,避免因电路出现故障、使用不当或环境条件发生变化而损坏开关电源。该开关电源保护电路主要包括输出过电压、输出欠电压和过流保护。

  开关电源内部控制电压是由S2与T3等元器件组成辅助开关电源供给,T3副边有二组线圈,一组通过D16、C30等元件整流滤波输出控制电压(VCC),一组通过D17、C32等元件整流滤波作为欠电压检测信号。

  开关电源的输出过电压、输出欠电压保护电路的构成如图4所示,该开关电源保护电路工作原理:欠压保护电路由17902/2和17902/4等元器件组成,过压保护电路由S103、D14等元器件组成,由17902/l和1790l/1等元器件组成过电流保护回路。欠压、过压、过电流故障信号通过D103等元件控制PWM芯片死区时间管脚4达到保护目的,从而芯片停止工作,无法正常输出脉冲,电压输出为零。开关电源的保护电路的作用是一旦出现输出过电压、输出欠电压等非正常使用的情况,立即使开关电路停止工作。

开关电源的输出过电压

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  3 电源性能测试

  3.1 电压调整率

  输入电网电压由额定值AC 110V变化±10%时,稳压电源输出电压24V波动率为0.8%,达到C级的要求。

  3.2 负载调整率

  在额定电网电压下,当输出电压24V负载电流在O~3.9A之间波动的电源输出值,24V波动率为3.3%。

  3.3 纹波电压

  在额定输出电压和负载电流下,输出电压的纹波(包括噪声)的峰一峰值为1.4%,

  4 结语

  目前,开关电源领域的各项新技术正引起普遍关注,各种技术不断涌现。该开关电源尽量采用在工业环境下具有高可靠性的常用集成电路及功率模块,利用反馈控制电路,采用占空比控制的方法,实现对开关电路进行控制。开关电源的这一技术特点使其具有体积小、重量轻、抗干扰性能强,输出电压稳定,电压动态响应快,性价比高,使用方便等优点。


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