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电工技术基础 变频开关电源电路
变频开关电源主要有两种形式，一种是采用PFM（频率调制）控制芯片来实现稳压的开关电源；另一种是仍然采用PWM（脉宽调制）控制芯片，但开关电源工作在不同的负载下，其频率是可变的，下面分别进行介绍。
1．采用PFM控制芯片的变频开关电源
这里以采用PFM控制芯片UC1864的变频开关电源为例进行介绍，相关电路如图5-27所示。
(l) UC1864介绍
UC1864是一片PFM控制芯片，其内部电路框图及引脚定义如图5-28所示。
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。
UC1864具有以下特点。
①内部设有零点比较器，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。
②UC1864片内设有宽频带压控振荡器，可以便利地完成V/F（电压／频率）转换，转换频率设定范围宽，可以从lOkHz～IMHz，一般选用50～600kHz。
③IC具有完善的保护电路。有欠压锁定、过压保护电路，内有故障比较器和故障锁存器。输入过压故障时，IC的两个输出端⑩脚和⑩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。
④UC1864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。
(2)启动与振荡电路
220V交流电压经电源噪声滤波器滤波、桥式整流滤波后，产生300V脉动直流电压，分两路送出：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V29稳压后，作为ICl (UC1864)稳定的电源电压Vcc;另一路经开关变压器TR1的初级绕组Nl，加到开关管VT2的漏极。
UC1864得电工作后，从⑩、⑩脚输出驱动脉冲信号，驱动VT2处于开关状态，VT2的漏极产生高压开关脉冲，经变压器TRI耦合到二次侧，再经过二极管VD7、VD8整流和滤波电路L2、CII滤波后，产生5V直流电压输出。
(3)稳压电路
当5V输出电压变化时，UC1864的②脚（内部误差放大器同相输入端）电压亦发生变化，在UC1864内部，经误差放大器与5V基准电压进行比较，得到差值信号，并以此信号控制调节压控振荡器的振荡频率(V／F)，再由瞬间定时器、控制逻辑电路处理后，控制UC1864的⑩、⑩脚输出脉冲的频率发生变化，使开关管VT2的导通与截止时间发生变化，从而达到变频稳定输出电压的目的。
(4) ZVS准谐振电路
UC1864内部设有零点比较器电路，参考电压为0.5V，零点信号输入电压取自MOS功率开关管VT2的漏极间电压，经R9降压后加到UC1864的⑩脚。当⑩脚波形的下降沿通过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。
2．在不同负载下工作频率可变的变频开关电源
有些开关电源控制芯片在不同的负载下，可输出不同频率的驱动脉冲，此类开关电源控制芯片组成的开关电源也是一种变频开关电源，下面以应用较多的TEA1533为例进行介绍。有关电路如图5-29所示。
(1) TEA1533介绍
TEA1533属于飞利浦公司研制的“第二代绿色芯片”系列开关电源控制电路。这里所说的“绿色芯片”和前面所说的“绿色电源”含义有所不同，前面介绍的“绿色电源”主要是通过加入PFC电路提高功率因数实现的，这里所说的“绿色芯片”主要包含以下几层意思。
一是采用高压直接启动方式，直接使用300V整流电压作为IC的启动电压，省去了常规开关电源电路中由电阻降压组成的启动电路，减小了启动电路的功耗。
二是采用零电流／峰谷电压开关管工作状态切换技术减小开关管的开关损耗，即只有当开关管电流降到零时，才控制开关管从ON状态切换到OFF状态；当开关管漏极谐振电压降低到最小值（谷值）时，才控制开关管从OFF状态转换到ON状态。
三是开关电源电路采用三模式可变工作状态，可以进一步减小开关电源的损耗，提高开关电源的效率。当开关电源在大功率输出状态时，工作在准谐振模式；当开关电源在中功率输出状态时，工作在固定频率工作模式；当开关电源在小功率输出状态（待机状态）时，开关电源工作在低频模式，这就是所谓的“变频”。
由TEA1533组成的开关电源可以适应的市电交流电压范围是70～276V，在待机状态时，功耗小于3W。
TEA1533内设有完善的保护电路，其中包括：去磁保护、过流保护、过压保护、开关变压器绕组短路保护、欠压保护、芯片过热保护以及保护动作后的安全软启动电路（降低输出功率），根据市电整流电压自动确定IC的启动电压。TEA1533也具有“软启动”特性，可在系统启动期间及突发／安全再启动周期减少元件的负荷，它减少了启动期间变压器核心磁致伸缩（变压器震颤）可能导致的声频噪声。
图5-30所示为TEA1533内部电路框图，TEA1533引脚功能如表5-6所示。
(2)整流滤波电路
接上市电后，220V交流电压经保险丝FU1102和FU1103、互感滤波器L5101、C2102、C2125、C2126、L5102、负温度系数热敏电阻R3101的限流，加到桥式整流堆VD6101，经VD6101整流、C2106滤波，在C2106两端产生约300V的直流电压。
(3)启动和振荡电路
整流滤波电路产生的约300V电压分两路输入开关电源电路：一路经开关变压器T5103的5-6绕组加到开关管VT7102的漏极(D);另一路经R3137和R3138降压、VD6102整流、VT7103稳压，对电容C2112充电，当充电电压达到1IV以上时，即U7101 (TEA1533)的①脚加上11V以上电压时，TEA1533内部的振荡电路开始振荡，从⑥脚输出驱动脉冲，通过R3107加到VT7102栅极，控制VT7102工作在开关状态，开关电源开始工作。
开关电源工作后，开关变压器T5103的3-2绕组将感应出交变电压，经VD6107整流、C2113滤波、VT7103稳压后为TEA1533的①脚提供完成启动后的工作电压。开关电源正常工作后，TEA1533①脚电压约为1I.5V。
这里需要重点说明的是，TEA1533内置一个压控振荡器(VCO)，振荡频率范围是25～175kHz，其最高振荡频率由TEA1533内部的振荡电容及电流源确定，在开关电源处于不同负载的工作状态时，TEA1533的工作频率（或工作模式）由③脚控制电压及④脚DEM去磁控制电压共同确定。当开关电源在大功率输出状态时，工作在准谐振模式；当开关电源在中功率输出状态时，工作在固定频率工作模式；当开关电源在小功率输出状态（待机状态）时，开关电源工作在低频模式(25kHz)，如图5-31所示。
(4)稳压控制电路
TEA1533的稳压电路采用电流／电压双模式控制方式，即开关电源控制电路采用了电压和电流两种负反馈控制信号进行稳压控制，如图5-32所示。
电流负反馈信号是在开关管VT7102源极接入取样电阻R3117、R3118、R3119，对开关管源极的电流（也即开关变压器的一次电流）进行取样而得到的，开关管电流取样信号送入TEA1533的⑤脚一次电流检测端，既参与稳压控制又具有过流保护功能，因为电流取样是在开关管的每个开关周期内都要进行的，所以这种控制又称为逐周（期）控制。改变开关管VT7102源极电流取样电阻的阻值，可以改变开关管的最大电流，因此，当开关管源极电流取样电阻的阻值因故障而变大时，开关电源的输出电压可能降低。
电压负反馈信号（即误差取样信号）由TEA1533的③脚输入，具体控制过程如下：当5V电源由于某种原因使该输出端电压升高时，通过取样电阻R3126、R3131分压，加到三端误差取样集成电路VT7106 (TL431)的R端的电压升高，K端电压下降，光电耦合器U7104内发光二极管亮度加强，其光敏三极管电流增大，其ce结内阻减小，TEA1533的③脚电位上升，TEA1533的⑥脚输出的脉冲宽度变窄，开关管VT7102导通时间缩短，其二次绕组感应电压降低，5V输出端及其他直流电压输出端电压降低，达到稳压的目的。若SV输出端电压下降，则稳压过程相反。
(5)待机控制
当TEA1533的③脚误差电压输入端大于3.8V时，TEA1533控制开关电源进入待机状态，此时开关电源间歇工作，工作频率处于最低频率25kHz。
(6)去磁控制
TEA1533的④脚DEM为去磁控制信号输入端。去磁控制是新型开关电源控制电路中使用的一种控制方式。去磁控制的基本含义是通过检测开关变压器中储存能量的变化，或者说是通过检测开关变压器一次电流和二次电流的变化情况，然后对开关电源进行控制。通过DEM信号可以实现很多控制可能，如开关管零电流ON/OFF状态切换、过压保护控制、短路保护控制、市电电压过压保护等。
(7)保护电路
①尖峰吸收回路。为了防止VT7102在截止期间，其D极的感应脉冲电压的尖峰击穿VT7102，该机开关电源电路设置了由R3120、R3116、C2109、VD6111组成的尖峰吸收回路。VT7102的D极输出的脉冲电压经VD6111对C2109充电，使VT7102的尖峰脉冲电压被有效地吸收。
①尖峰吸收回路。为了防止VT7102在截止期间，其D极的感应脉冲电压的尖峰击穿VT7102，该机开关电源电路设置了由R3120、R3116、C2109、VD6111组成的尖峰吸收回路。VT7102的D极输出的脉冲电压经VD6111对C2109充电，使VT7102的尖峰脉冲电压被有效地吸收。
②电源过流保护电路。开关管VT7102源极(S)的电阻R3117、R3118、R3119为过流取样电阻。由于某种原因引起VT7102源极的电流增大时，过流取样电阻上的电压降增大，TEA1533的⑤脚（电流检测）电压升高，当⑤脚电压大于0.52V时，过流保护电路启动，限制开关管电流继续上升。
③欠压保护电路。TEA1533的①脚既是启动端，同时也是开关电源欠压保护输入端。当①脚电压低于8.7V时，欠压保护电路动作，开关电源由⑧脚重新启动。因此，当TEA1533启动，开关电源工作后，开关变压器3-2绕组必须接替IC内的启动电路向①脚供电（对电源滤波电容C2112充电）。否则，IC启动后，启动电路不能维持IC的供电，①脚电压将降低，当①脚电压低于8.7V时，欠压保护电路动作，即开关电源启动后，如果①脚不能得到开关变压器自馈电绕组的供电，TEA1533不能正常工作。
④开关变压器绕组短路保护。开关变压器绕组短路保护（过流保护）通过TEA1533的⑤脚开关管电流检测来实现。当开关变压器绕组短路，或开关变压器二次侧整流二极管短路、二次侧负载短路时，开关管电流将异常加大一TEA1533的⑤脚开关管电流取样电压升高。当TEA1533的⑤脚开关管电流取样电压达到0.88V时，TEA1533内部的开关变压器绕组短路保护电路动作，切断开关管驱动脉冲输出，使开关电源的输出电压下降，当开关电源的输出电压下降到使TEA1533的①脚电源电压低于欠压保护动作电平8.7V时，启动电路通过⑧脚一①脚向滤波电容C2112充电，TEA1533重新启动。如果短路消失，开关电源进入正常工作状态，如果短路仍然存在，保护电路再次动作，重复以上过程。因此，开关电源发生短路时，可能会听到开关电源反复启动的“打嗝”声。
⑤软启动电路。软启动电路的作用是，刚开机时，应使开关变压器和开关管中的电流缓慢上升，避免大的开机冲击电流对开关管的损坏，以及开关变压器产生异常响声。TEA1533的软启动功能是通过在开关管源极电流取样电阻与TEA1533的⑤脚电流取样输入端插入RC电路来实现的。开机后，TEA1533内部的一个电流源通过⑤脚向C2108充电，使⑤脚电流取样端的电压快速上升，从而在开机时限制开关管的电流。当⑤脚电压上升到0.5V后，软启动充电电流源断开，软启动结束。
⑥芯片过热保护。当TEA1533芯片过热，芯片温度达到140 0C时，TEA1533内的过热保护电路动作，切断开关管驱动脉冲输出。
顺便说明一下，TEA1533有两种型号，即TEA1533P和TEA1533AP，在过热保护动作后，TEA1533P和TEA1533AP所执行的动作有所不同。对于TEA1533P，只有当①脚电源电压低于4.5V时，TEA1533P才重新启动，即过热保护动作后，应该切断市电电源一段时间，重新开机后TEA1533才能启动。而TEA1533AP在过热保护动作后，当①脚电源电压低于8.7V时，TEA1533AP就会开始重新启动。
⑦误差取样电压输入③脚开路保护。当TEA1533的③脚误差取样电压输入端开路时，TEA1533会判断为取样电路出现故障，TEA1533内部的保护电路动作，切断开关管驱动脉冲输出，使开关电源停止工作，直到故障状态消除。
⑧去磁控制引脚电路保护。当TEA1533的④脚去磁控制输入脚外电路开路时，TEA1533会判断为去磁电路出现故障，TEA1533内部的保护电路动作，切断开关管驱动脉冲输出，使开关电源停止工作，直到故障状态消除。
当TEA1533的④脚去磁控制输入脚外电路短路或接地时，TEA1533会判断为去磁电路出现故障，TEA1533内部的保护电路动作，切断开关管驱动脉冲输出，使开关电源停止工作，然后开关电源进入安全重启状态。
⑨市电电压过压保护。市电电压过压保护控制是在开关管导通期间通过检测TEA1533的④脚去磁控制端的电流来实现的。当市电整流电压升高时一④脚电流加大--TEA153通过控制电路降低开关管的最大电流，达到保护目的。
由电路可以看出，④脚电流还受到④脚电路中电阻值大小的影响，因此，当④脚电路中电阻值变化时可能会使开关管电流偏离正常值。
⑩过压保护。过压保护是在开关管截止期间（开关变压器二次侧整流电路导通期间）通过检测TEA1533的④脚去磁控制端的电流来实现的。当开关电源输出电压升高到保护电路的动作电平时，开关电源控制电路将使开关管截止。
在过压保护电路动作后，TEA1533P和TEA1533AP所执行的动作有所不同。对于TEA1533P，只有当①脚电源电压低于4.5V时，TEA1533P才重新启动，即过压保护动作后，应该切断市电电源一段时间，重新开机后TEA1533才能启动。而TEA1533AP在过压保护动作后，当①脚电源电压低于8.7V时，TEA1533AP就会开始重新启动。改变④脚DEM电阻值，可以改变过压保护动作电平。
为了更有效地实施过压保护，该机还另设一套由光电耦合器U7105、晶闸管VT7109(BT169B)等组成的输出电压过压保护电路。电路的工作过程如下：当开关电源输出的5V
或12V电压由于某种原因升高时，V26117或V26114击穿，5V经分压电阻R3140、R3134分压（12V电压经R3139、R3134分压）后的电压升高，使加到VT7109的G端的电压升高，于是晶闸管VT7109导通，其A端电压下降，光电耦合器U7105内发光二极管亮度加强，其光敏三极管电流增大，其ce结内阻减小，TEA1533的⑨脚电位上升，TEA1533的⑥脚停止输出脉冲，开关管VT7102截止，从而保护了开关电源和负载电路不会因电压过高而损坏。
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