室内外通用的变频开关电源：UC1864的应用

UC1864是一种固定脉宽，通过改变频率来调节占空比以达到输出电压稳定的目的的脉频调制（PFM）型集成控制器。这种调制器必须有压控振荡器（VCO），利用电压来改变振荡频率。

1.UC1864的电路特点

1）电路采用PFM原理，具有两个输出端，作并联使用时可以构成50W以下的开关电源；如果两个输出端分开，作推挽式或半桥式使用，可以构成100W以下的开关电源。

2）采用零电压开关的设计方案，使外部所接的功率开关MOS管工作在理想的通/断状态下，这属于谐振开关电源。谐振开关电源可以将功率开关管的功耗降低到零，开关管所承受的电压、电流应力最小。这对于提高电源的负载能力、扩展应用范围是非常有效的。同时，对提高电源的效率、抑制浪涌电压和峰值电压也是有益的。用UC1864开发设计的开关电源能把开关频率提高到1MHz，体积大为缩小。

3）UC1864片内设有宽频带压控振荡器（VCO），可以便利地完成V/F转换，转换频率设定范围宽，可以从10kHz到1MHz，一般选用50～600kHz。

4）IC具有完善的保护电路。有欠电压锁定、过电压保护电路，内有故障比较器和故障锁存器。当输入电压低于晶体管VT₁的射—集极设定电压或检测到输出过电流、输入过电压故障时，IC₁的两个输出端11脚和14脚将强行把输出级FET启动器拉成低电平，起到保护作用。此外，还具有软启动、重新启动的功能。

5）UC1864的工作电压为15～20V，最高电压为22V。两个输出端均可输出1A的峰值电流。最大功耗为1W，工作温度为-55～+125℃，适用于室内外。

2.UC1864的工作原理

由UC1864构成的开关电源电路如图4-6所示。

图4-6 由UC1864构成的开关电源电路

220V交流电压经过电源噪声滤波器（PNF）、桥式整流器（UR）和电容C₁滤波后得到直流高压（V_H）。该高电压分两路向电路输送电能：一路经R₁降压、VD₃～VD₆再次整流（称为二次整流）、电容C₂滤波、稳压管VS稳压后，作为IC₁稳定的电源电压V_CC；另一路供给高频变压器TR₁的一次绕组N₁，流向开关功率MOS管的漏极。在高压脉冲的作用下，变压器TR₁终将改变频率的高低，通过变压器将电压耦合到二次侧，再经过肖特基二极管VD₇、VD₈整流和滤波电路L₂、C₁₁滤波后，产生5V直流电压输出。TR₂是故障变压器，从其二次侧检测到的脉冲调制信号由VD₁整流后加至故障检测端（FAULT）。L₁是降压电感，VS为稳压二极管。VD₃～VD₆组成负向限幅整流电路。IC₁的11、14脚并联后经R₈将调制好了的信号送入VT₂开关功率管的栅极，经功率放大后驱动高频变压器。C₉是开关电路的振荡电容，与变压器一次电感、开关管VT₂组成振荡电路。R₁₂、C₁₂、VD₂组成RC钳位吸收回路，用于吸收变压器的尖峰电压和输入电路的浪涌电压。R₁₁、C₁₀吸收变压器TR₁二次侧产生的尖峰电压。从5V输出电压取出一信号并反馈到误差放大器的同相输入端（IC₁的2脚），此信号与IC₁的3脚的反相输入信号经片内误差放大器放大、比较后去控制压控振荡器，调节振荡频率。R₃、R₄和C₃、C₄组成误差放大器的频率补偿修正网络。C₅为软启动电容。R₁₃、C₇为瞬间定时器的定时电阻和定时电容，用于产生锯齿波电压。过零检测电路由分压电阻R₉、R₁₀组成，对开关管漏极电压进行检测，取得零检测信号后送到IC₁的10脚进行零点比较。图4-10中压控振荡器的外围元件C₆、R₅和R₆分别对应于IC₁的8、7和6脚，产生电路振荡频率的基准频率，供电源运行中使用。

由图4-7可知，UC1864主要由误差放大器、压控振荡器（VCO）、瞬间定时器、控制逻辑电路、欠电压锁定电路、5V电压发生器、故障比较器、故障锁存器、延迟锁存器及零点比较器等组成。误差放大器的同相输入端接收输出电压V_o的部分电压信号，反相输入端接软基准端的5V基准电压，所以输出误差电压V_r就作为控制电压控制VCO的振荡频率，用来调整输出电压。

图4-7 UC1864内部结构框图

为实现真正的零电压开关，专门设置了零点电压检测与比较电路。零点比较器的参考电压为0.5V，信号电压取自MOS功率开关管的漏—源极间电压（V_DS）。当波形的下降沿通过0.5V时，零点比较器就翻转，改变瞬间定时器的状态，进而使输出级关断，实施零电压关断的功能。开关功率管设计成零电压开关，不仅能降低功耗，还能减少EMI、RFI以及密勒效应。用UC1864设计的欠电压锁定电路的导通阈值电压为8V，关断阈值电压为7V。因此，开关电源在工作过程中一旦V_CC低于7V，输出级立即关断，强迫两个输出端为低电平。故障比较器、故障锁存器和延迟锁存器构成的保护电路有软启动和重新启动两种保护方式。软启动电容C₅接在软基准端（SV_REF）与信号地（SGND）之间。在软基准端与信号地之间，如果接一只100kΩ的上拉电阻，一旦出现过电压或过电流故障，保护电路就把输出级永久性关断。如果接一只1μF电容，则刚通电时SV_REF端电压为零（SV_REF=0），在10ms时间内输出级逐渐转入正常，这就是软启动。此电路表明，UC1864既可以工作在单次模式（SV_REF=0）下，又能工作在循环模式（SV_REF=1）下，这是对发生故障的两种处理方式。当输出端电压超过2V时，关断输出。故障处理结束后，如再启动，须经过软启动阶段才能建立起正常工作状态后，开始输出电压。

UC1864的稳压过程是这样的：通电后延时建立起输出电压，为监视输出电压工作状况，从输出端取出一电压信号，经误差放大器与5V基准电压进行比较，得到差值信号V_r，并以此信号控制调节VCO的振荡频率（f），再由瞬间定时器、控制逻辑输出脉冲频率调制信号去驱动MOS开关管，最后经变压器能量转换，由二次整流滤波电路获得稳定的输出电压（V_o）。如某种原因致使输出电压V_o上升，控制电路将立即进行下列闭环调整：V_o↑→V_r↓→f↓→V_o↓。结果V_o趋于稳定，反之亦然。这就是PFM的工作原理。设电源效率为η，脉冲宽度为m，脉冲频率为f。当η、m、V_CC确定后，则有V_o=ηmfV_CC。通过调节振荡频率f即可调整V_o，实现变频稳压的目的。UC1864电源适用于机顶盒电源、工业自动检测仪表、医疗诊断仪及其他有关调速装置。

3.UC1864的参数设计与计算

1）频率调制灵敏度的计算

所谓频率调制灵敏度就是控制电压每增加或减少1V，振荡频率下降或上升多少千赫，即

λ=f/V_r=-1/（R_aC_V） （4-1）

2）振荡器电容、电阻的计算

由图4-10可知，C_V=C₆，R_m=R₆，R_a=R₅。先设定最高振荡频率f_max和最低振荡频率f_min，然后求出比值f_max/f_min及中心频率f₀。

3）启动时间t₁和重新启动时间t₂的计算

我们知道，故障比较器、故障锁存器和延时锁存器（见图4-11）构成的保护电路有软启动和重新启动两种保护方式。

启动时间 t₁=10^-2C₅ （4-6）

重新启动时间 t₂=1.9×10^-2C₅ （4-7）

下面介绍一个计算实例。

设f_max=360kHz，f_min=76kHz，则

f_max/fmin=360/76≈4.74

由式（4-2）求出C₆=0.036×10⁹/（76×10³）pF≈474pF，取470pF。

由式（4-3）求出R₅=100/（4.74-1）kΩ≈26.7kΩ，取27kΩ。

由式（4-4）求出R₆=3.6/（76×470×10^-6）kΩ≈100kΩ。

由式（4-5）求出f₀=（360-76）/2kHz=142kHz。

由式（4-1）求出λ=-1/（470×27×10^-6）kHz/V=-78.8kHz/V，即控制电压每增加1V，振荡频率降低（“-”是下降的意思）78.8kHz，由控制电压转换为振荡频率。

由式（4-6）计算t₁=10^-2×1×10³ms=10ms，由式（4-7）计算t₂=1.9×10^-2×1×10³ms=19ms。

从式（4-6）和式（4-7）可知，每次电源通电后要经过10ms的时间，输出电压才能建立；每次出现故障，清除后要经过19ms的时间才能重启动。这对在电源启动瞬间抑制浪涌电压非常有好处。

4.UC1864高频变压器设计

UC1864是调频式开关电源控制器件，通过改变开关频率来改变占空比，保持脉冲宽度不变而周期改变。现选取中心频率为150kHz，占空比为0.4，这样有0.6s的周期时间供频率调整。

（1）技术指标

输入电压：220V，50Hz，AC。

输出电压：5V，DC。

输出电流：6A。

输出功率：P_o=V_oI_o=5×6W=30W。

设开关电源的效率为90%，输入功率，工作周期。

（2）最大导通时间t_on（max）的计算

t_on（max）=DT=0.4×6.7μs≈2.7μs

（3）变压器二次输出电压的计算

变压器二次输出电压V₂按下式计算：(www.xing528.com)

式中，V_L是输出扼流圈的二次压降，取0.4V；V_F为输出侧肖特基二极管的正向压降，取0.8V。

（4）变压器匝比n的计算

输入直流电压的最低值V_1（min）是由交流输入电压的最低值得到的。考虑到电源电压的波动为±25%，则V_1（min）≈[180-（180×0.25）]×1.414V=190.89V，取190V。

（5）变压器一次、二次绕组匝数的计算

变压器一次绕组的匝数N₁与磁心的最大磁感应强度B_m（T）之间的关系为

式中，A_e为磁心有效截面积（mm²）。输出功率与磁心尺寸之间的关系如表1-3所示。根据表1-3选磁心为EE22，它的有效截面积A_e=36mm²，磁心材料相当于TDK的H7C4，最大磁感应强度B_m为3000Gs以下。磁心的剩磁随磁心温度及工作频率而改变。当磁心温度为100℃（不能超过130℃，否则磁导率下降到零）时，考虑到工作频率的变化，最大磁感应强度B_m选2000Gs较为安全。变压器二次绕组匝数N₂为

变压器一次绕组匝数N₁为

N₁=N₂/n=6/0.082匝≈73.2匝≈73匝

变压绕组匝数N₂=6匝，N₁=73匝时，变压器二次电压V_2（min）达不到要求，需重新确定t_on（max）。

开始设定D_max为0.4，重新计算，结果D_max仍为0.4，说明脉冲导通时间t_on（max）符合设计要求。

（6）输出滤波器的计算

首先计算输出扼流圈的电感量。流经扼流圈的电流ΔI_L如图4-8所示。

图4-8 扼流圈中的电流波形

式中，L为输出扼流圈的电感（μH），这里ΔI_L为输出电流I_o的10%～30%。从扼流圈的外形尺寸、成本、过渡响应等方面考虑，以ΔI_L为I_o的25%进行计算。

ΔI_L=0.25I_o=6×0.25A=1.5A

可求得

所以，采用25.55μH、6A的扼流圈。

扼流圈在开关电源输出电路中的作用，不仅是扼制输出电流的纹波，而且对二次电感反激给一次侧促使开关管翻转的速度起着重要作用。

5.UC1864开关电源故障修理

（1）开关电源无直流电压输出

1）故障原因分析

可能是市电输入电路存在开路故障，使电容C₁两端无300V直流电压输出；也可能是市电输入电路存在短路故障，如果输入电路短路，会烧坏熔丝；也可能是自激振荡启动环节或振荡正反馈电路的元件发生开路式的损坏，或是IC₁的压控振荡器因受到外部过电流、过电压保护，使控制电路进入锁存状态，输出启动器不能启动。

2）故障检修方法

首先查看输入熔丝是否烧断。若烧断，说明交流输入电路中存在短路性故障元器件，应检查交流输入电路的滤波电容是否漏电或击穿损坏，桥整流滤波器件是否击穿损坏，开关场效应晶体管VT₂是否击穿短路；还要检查开关电源吸收网络的阻塞二极管VD₂是否击穿损坏，并检查开关电源直流输出端电路、负载元件是否完好。若熔丝正常，再开机测电解电容C₁两端有无300V的直流电压，再测IC₁的9脚有无0.5V左右的电压。若C₁两端有300V的直流电压而IC₁的9脚没有电压，再测IC₁的13脚有无电压，如果没有，应检查电阻R₁是否完好。如果9、13脚都有电压，应检查电阻R₅、R₆和电容C₆。若各点电压均正常，则应检查振荡变压器是否发生击穿性损坏。

（2）开关电源输出电压偏低

1）故障原因分析

由UC1864开关电源工作原理分析可知，引起开关电源输出的直流电压偏低的故障主要与电源负载电路存在过电流、稳压控制电路工作异常及振荡压频转换工作状态失调等因素有关，主要原因有：

①电源负载电路工作电流过大。因电源开关功率管VT₂带载加重而引起激励不足，致使工作频率不能加快，继而使开关电源输出的直流电压偏低。此时一般伴随有“吱吱”叫声出现。

②压频转换电路的外围元件R₅、R₆、C₅变质或开路，IC₁内部的控制逻辑滞后于瞬间定时器，不能使工作频率跟随输出电压的高低进行调制。

③锯齿波振荡电路工作异常，引起开关晶体管截止时间延长，致使输出电压偏低。

④同相反馈输入线开路或IC₁的误差放大器工作异常。同相输入端与反相输入端接反，使片内误差放大器“反常”工作，因而不能控制压频转换，使得输出直流电压偏低或异常。这都是由调制频率引起的。

2）故障检修方法

首先在二次滤波电容C₁₁两端接上0.71Ω/40W的大功率线绕电阻，测量线绕电阻两端电压是否达到5V。若为5V，则检查滤波电容C₁₁是否漏电。如果C₁₁没有漏电，应重点检查C₇和R₁₂。如果仍无结果，应更换整流二极管VD₇和VD₈，最好选用肖特基二极管，二极管的工作电流应大于3倍的输出电流，否则输出电路工作异常。最后，用调换法更换IC₁。

（3）开关电源输出电压偏高

1）故障原因分析

若开关电源输出直流电压偏高，则故障原因肯定是某种因素引起压控振荡器的触发电路进入稳定状态或停止工作，使开关晶体管的截止时间缩短或工作频率升高，致使开关电源因负载过轻而引起输出电压升高。另外，晶体管VT₁变质或电容C₈漏电会使VT₁的基极的5V电压无法建立，引起5V电压发生器无法工作，继而使开关管失去控制而出现开关电源输出的直流电压偏高的现象。

若开关电源在运行工作时输出的直流电压偏高，则其故障原因肯定是稳压控制电路压频转换工作异常，如R₅、C₆等元件开路，使开关管的基极驱动电流无法控制，开关管因失去控制而使开关电源输出的直流电压异常升高。另一个原因是电流中的过电流、过电压保护功能异常，保护电路失控引起故障锁存器闭锁，从而使输出级关闭，开关电源停止工作。

2）故障检修方法

若仅是在开机瞬间集成控制器IC₁处于复位状态时开关电源输出的电压偏高，应先测电容C₈的两端有无5V左右的电压，若无，应检查电阻R₇和晶体管VT₁是否完好，有无开路现象以及C₈有无漏电现象。若C₈两端电压正常，则应测试分压取样电阻R₉、R₁₀的阻值。

如果开关电源在工作运行期间输出电压一直偏高，则应测试VH点和IC₁的13脚，发现VH点电压为300V，而IC₁的13脚电压却高达25V。产生这么高的V_CC电压有两个原因：第一，稳压二极管VS异常损坏，使V_CC电压不正常，处于高值；第二，取压电阻R₁的阻值太小，建议换一只较高阻值的电阻。在经过一系列检查调换均未见好转的情况下，只有重新确定高频变压器的二次匝数是否偏多，最好重新绕制高频变压器。一般输出电压偏高时，纹波电压会比正常值高几倍。