UC3842原理及应用

UC3842 的工作原理及 3842 在开关电源中的应用 电流控制型脉宽调制器电流控制型脉宽调制器 UC3842UC3842 工作原理及应用工作原理及应用 UC3842 是美国 Unitrode 公司 该公司现已被 TI 公司收购 生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片 可直接驱动双极型晶体管 MOSFEF 和 IGBT 等功率型半导体器件 具有管脚数量少 外围电路简单 安装 调试简便 性能优良等诸多优点 广泛应用于计算机 显示器等系统电路中作开关电源驱动器件 1 1 UC3842UC3842 内部工作原理简介内部工作原理简介 图 1 示出了 UC3842 内部框图和引脚图 UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式 共有 8 个引脚 各脚功能如下 脚是误差放大器的输出端 外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性 脚是反馈电压输入端 此脚电压与误差放大器同相端的 2 5V 基准电压进行比较 产生误差电压 从而控制脉冲宽度 脚为电流检测输入端 当检测电压超过 1V 时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态 脚为定时端 内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定 f 1 8 RT CT 脚为公共地端 脚为推挽输出端 内部为图腾柱式 上升 下降时间仅为 50ns 驱动能力为 1A 脚是直流电源供电端 具有欠 过压锁定功能 芯片功耗为 15mW 脚为 5V 基准电压输出端 有 50mA 的负载能力 图 1 UC3842 内部原理框图 2 2 UC3842UC3842 组成的开关电源电路组成的开关电源电路 图 2 是由 UC3842 构成的开关电源电路 220V 市电由 C1 L1 滤除电磁干扰 负温度系数的热敏电阻 Rt1 限流 再经 VC 整流 C2 滤波 电阻 R1 电位器 RP1 降压后加到 UC3842 的供电端 脚 为 UC3842 提供启动电压 电路启动后变压器的付绕组 的整流滤波电压一方面为 UC3842 提供正常工作电压 另一方面经 R3 R4 分压加到误差放大器的反相输入端 脚 为 UC3842 提供负反馈电压 其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小 以此稳定输出电压 脚和 脚外接的 R6 C8 决定了振荡频率 其振荡频率的最大值可达 500KHz R5 C6用于改善增益和频率特性 脚输出的方波信号经 R7 R8 分压后驱动 MOSFEF 功率管 变压器原边绕组 的能量传 递到付边各绕组 经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用 电阻 R10 用于电流检测 经 R9 C9 滤滤后送入 UC3842 的 脚形成电流反馈环 所以由 UC3842 构成的电源是双闭环控制系统 电压稳定度非常高 当 UC3842 的 脚电压高于 1V 时振荡器停振 保护功率管不至于过流而损坏 图 2 UC3842 构成的开关电源 3 3 电路的调试电路的调试 此电路的调试需要注意 一是调节电位器 RP1使电路起振 起振电流在 1mA 左右 二是起振后变压器 绕组提供的直流电压应能使电路正常工作 此电压的范围大约为 11 17V 之间 三是根据输出电压的数值大小来改变 R4 以确定其反馈量的大小 四是根据保护要求来确定检测电阻 R10 的大小 通常 R10 是 2W 1 以下的电阻 电流控制型脉宽调制器电流控制型脉宽调制器 UC3842UC3842 在开关电源中的应用在开关电源中的应用 开关稳压电源被誉为 新型高效节能电源 它代表着稳压电源的发展方向 由于内部器件工作在高频开关状态 因此本身消耗的能量极低 电源效率可以达到 80 以上 比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍 随着电 源技术的飞速发展 开关稳压电源正朝着小型化 高频化 集成化的方向发展 高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的应用 本文首先概述开关稳压电源的基本工作原理 接着介绍电流型脉宽调制器 UC3842 芯片 着重 论述了 UC3842 在开关稳压电源中的应用 并以一个实际应用实例分析了电源电路的构成和参数计算 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 相对于线性稳压电源功耗较大的缺点 开关电源的效率可达 90 以上 而且造价低 体积小 开关电源的工作原理如图 1 所示 它由调整管 滤波电路 比较器 三角波发生器 比较放大器和基准源等构成 在图 1 中 三角波发生器的输出波形加到比较器的反相端 其同相端接比较放大器的输出 Vf 当三角波的幅度小于比较器的同相输入时 比较器输出高电平 对应调整管导通的时间为 ton 反之 当三角波的幅度大于比较器 的同相输入时 对应调整管的截至时间为 toff 为了稳定电压输出 按电压负反馈方式引入反馈 以确定基准源和比较放大器之间的联系 假设输出电压增加 则 FVo 增加 比较放大器的输出 Vf 减小 那么比较器的输出波 形中 toff 增加 从而使调整管的导通时间减小 输出电压下降 起到稳压的作用 如果忽略电感的直流电阻 那么输出电压 Vo 为调整管发射极电压 Ve 的平均分量 于是有 其中 q 为占空比 在输入电压一定的时候 输出电压与占空比正比 通过改变比较器输出波形的占空比就可以控制输出电压的幅值 图 1 开关电源的工作原理 UC3842 的工作原理 UC3842 是美国 Unitorde 公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片 该调制器单端输出 能直接驱动双极型的功率管或场效应管 其主要优点是管脚数量少 外围电路简单 电压调整率可达 0 01 工作频率高达 500kHz 启动电流小于 1mA 正常工作电流为 5mA 并可利用高频变压器实现与电网的隔离 该芯片集成了振荡器 具有温度补偿的高增益误差放大器 电流检测比较器 图腾柱输出电路 输入和基准欠电压锁定电路以及 PWM 锁存器电路 其内部结构及基本外围电路如图 2 所示 图 2 UC3842 的内部结构及基本外围电路 UC3842 是 8 脚的双列直插的封装形式 如图 2 所示 第 1 脚为补偿脚 内部误差放大器的输出端 外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响 第 2 脚是反馈脚 将采样电压加到误差放大器的反相输入端 再与同相输入端的基准电压进行比较 产生误差电压 控制脉冲的宽度 第 3 脚为电流传感端 在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻 构成过流保护电路 当电源电压异常时 功率管的电流增大 当采样电阻上的电压超过 1V 时 UC3842 就停止输出 有效地保护了功率管 第 4 脚为锯齿振荡器外部定时电阻 R 与定时电容 C 的公共端 第 5 脚为地 第 6 脚为图腾柱式输出电压 当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通 为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路 加速了功率管的关断 第 7 脚为输入电压 开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于 16V 的电压 芯片工作后 输入电压可以在 10 30V 之间波动 低于 10V 时停止工作 第 8 脚为内部 5 0V 的基准电压输出 电流可达 50mA 电路上电时 外接的启动电路通过引脚 7 提供芯片需要的启动电压 在启动电源的作用下 芯片开始工作 脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经 6 脚输出驱动外接的开关功率管工作 功率管工作产生的信号经取样电路转换为 低压直流信号反馈到 3 脚 维护系统的正常工作 电路正常工作后 取样电路反馈的低压直流信号经 2 脚送到内部的误差比较放大器 与内部的基准电压进行比较 产生的误差信号送到脉宽调制电路 完成脉冲宽度的调制 从而达到稳定输出电压的目的 如果输出电压由于某种原因变高 则 2 脚的取样电压也变高 脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄 则开关功率管的导通时间变短 输出电压变低 从而使输出电压稳定 反之亦然 锯齿波 振荡电路产生周期性的锯齿波 其周期取决于 4 脚外接的 RC 网络 所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器 作为其工作周期 脉宽调制器输出的脉冲周期不变 而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化 实际应用电路实际应用电路 图 3 开关稳压电源系统总体框图 根据 UC3842 的特点 设计一个 30 36V 可调的开关型稳压电源 其总体结构框图如图 3 所示 交流输入后通过整流滤波得到直流电压 经过 LM317 后获得 16 5V 的直流电压 作为 UC3842 芯片的启动电压 芯片启动后通过脉宽调制控制功率管的开关从而实现稳压输出 控制电路的核心是 UC3842 其后级的高速开关功 率管要求满足一定的耐压值和足够大的额定电流 这里可以选用 IRF540 其耐压值高达 100V 额定电流可以达到 33A 高频变压器的升压系数为 1 2 采用双桥间距为 0 3mm 的铁氧铁芯 由直径 0 65mm 的铜丝绕制而成 高 频变压器出来的脉动直流电压 先通过二极管整理 再通过 3 个 50V 3300 F 的电解电容 和由一个 33 H 电感和 2 个 104 的电容构成 型滤波器进行滤波后输出 其 UC3842 的核心电路如图 4 所示 图 4 UC3842 的核心电路图 如图 4 所示 UC3842 的工作频率由 4 脚和 8 脚间的 RT 和 CT 决定的 理论上 其内部的振荡频率最高可达 500kHz 在本系统中 RT 和 CT 分别选用了 10k 和 0 045 F 根据公式 可以计算得其工作频率约为 40kHz 符合开关电源的要求 在 UC3842 的 2 脚处接上一个 10k 的电位器 通过调节电位器的阻值改变反馈电压 使脉宽的占空比发生变化 从而可以实现输出电压 30 36V 的连续可调变化 结语结语 利用 UC3842 设计的电流制型脉宽调制开关稳压电源 克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢 电压调整率和负载调整率低的缺点 电路结构简单 成本低 体积小 易实现 该稳压电源是目前实用和理想的稳压电 源 具有很大的发展前景 UC3842 是美国 Unltmde 公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片 它具有管脚数量少 外围电路简单等特点 因而得到了广泛的应用 但随 着 UC3842 开关频率的提高 由它所构成的开关电源的保护电路也出现了很多问题 本文分析了 UC3842 保护电路的缺陷及改进的方法 1UC3842 的典型应用 UC3842 的典型应用电路如图 l 所示 该电路主要由桥式整流电路 高频变压器 MOS 功率管以及电流型脉宽调制芯片 UC3842 构成 其工作原理为 220V 的交流电经过桥式整流滤波电路后 得到大约 300V 的直流高压 这一直流电压被 M0S 功率管斩波并通过高频变压器降压 变成频率为几十 kHz 的 矩形波电压 再经过输出整流滤波 就得到了稳定的直流输出电压 其中高频变压器的 自馈线圈 N2 中感应的电压 经 D2 整流后所得到的直流电压被反馈到 UC3842 内部的误差放大器并和基准电压比较得到误差电压 Vr 同时在取样电 阻 R11 上建立的直流电压也被反馈到 UC3842 电流测定比较器的同柑输入端 这个检测电压和误差电压 Vt 相比较 产生脉冲宽度可调的驱动信号 用来 控制开关功率管的导通和关断时间 以决定高频变压器的通断状态 从而达到输出稳压的目的 图 l 中 R5 用来限制 C8 产生的充电峰值电流 考虑到 Vi 及 Vref 上的噪声电压也会影响输出的脉冲宽度 因此 在 UC3842 的脚 7 和脚 8 上分别接有消噪电容 C4 和 C2 R7 是 MOS 功率管的栅极限流电阻 另 外 在 UC3842 的输入端与地之间 还有 34V 的稳压管 一旦输入端出现高压 该稳压管就被反向击穿 将 Vi 钳位于 34V 保护芯片不致损坏 2UC3842 保护电路的缺陷 2 l 过载保护的缺陷 当电源过载或输出短路时 UC3842 的保护电路动作 使输出脉冲的占空比减小 输出电压降低 UC3842 的供电电压也跟着降低 当低到 UC3842 不 能工作时 整个电路关闭 然后通过 R6 扦始下一次启动过程 这种保护被称为 打嗝 式 hiccup 保护 在这种保护状态下 电源只工作几个开关周 期 然后进入很长时间 几百 ms 到几 s 的启动过程 因此 它的平均功率很低 但是 由于变压器存在漏感等原因 有的开关电源在每个开关周期都有 很高的开关尖峰电压 即使在占空比很小的情况下 辅助供电电压也不能降到足够低 所以不能实现理想的保护功能 2 2 过流保护的缺陷 UC3842 的过流保护功能是通过脚 3 实现的 当脚 3 上检测的电压高于 lV 时 就会使 UC3842 内部的比较器翻转 将 PWM 锁存器置零 使脉冲调制器 处于关闭状态 从而实现了电路的过流保护 由于检测电阻能感应出峰值电感电流 所以自然形成逐个脉冲限流电路 只要检测电阻上的电平达到 lV 脉宽调制器立即关闭 因此这种峰值电感电流检测技术可以精确限制输出的最大电流 使得开关电源中的磁性元件和功率器件不必设计较大的余量 就 能保证稳压电源的工作可靠 但是 通常我们采用的采样电阻都是金属膜或氧化膜电阻 这种电阻是有感的 当电流流过取样电阻时 就会感生一定的 感性电压 这个电感分量在高频时呈现的阻抗会很大 因此它将消耗很大的功率 随着频率的增加 流过取样电阻的电流有可能在下一个振荡周期到来 之前还没放完 取样电阻承受的电流将越来越大 这样将会引起 UC3842 的误操作 甚至会引起炸机 因此 UC3842 的这种过流保护功能有时难以起到 很好的保护作用 存在着一定的缺陷 2 3 电路稳定性的缺陷 在图 l 所示的电路中 当电源的占空比大于 50 或变压器工作在连续电流条件下时 整个电路就会产生分谐波振荡 引起电源输出的不稳定 图 2 表示了变压器中电感电流的变化过程 没在 t0 时刻 开关开始导通 使电感电流以斜率 m1 上升 该斜率是输入电压除以电感的函数 t1 时刻 电流 取样输入达到由控制电压建立的门限 这导致开关断开 电流以斜率 m2 衰减 直至下一个振荡周期 如果此时有一个扰动加到控制电压上 那么它将 产生一个 I 这样我们就会发现电路存在着不稳定的情况 即在一个固定的振荡器周期内 电流衰减时闸减少 最小电流开关接通时刻 t2 上升了 I Im2 m1 最小电流在下一个周期 t3 减小到 I Im2 m4 m2 m1 在每一个后续周期 该扰动 m2 m1 被相乘 在开关接通时交替增加和减小电 感电流 也许需要几个振荡器周期才能使电感电流为零 使过程重新开始 如果 m2 m1 大于 l 变换器将会不稳定 因此 图 l 所示的电路在某状态下 存在着一定的失稳隐患 3 保护电路的改进 针对上述分析 改进电路如图 3 所示 该电路具有以下特点 1 通过在 UC3842 的采样电压处接入一个射极跟随器 从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡 它可以在后续的周期内将 I 扰动减小到零 因此 即使系统工作在占空比大于 50 或连续的电感电流条件下 系统也不会出现不稳定的情况 不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略 大于 m2 2 系统才能具有真正的稳定性 2 取样电阻改用无感电阻 无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻 其精度高且容易做到大功率 采用无感电阻后 其阻抗不会随着频率的增加而 增加 这样 即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率 因此也就不会出现炸机现象 3 反馈电路改用 TL43l 加光耦来控制 我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间 并不是输出与输入同时建立 如果把反馈信号接到 UC3842 的电压反馈端 则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器 传输时间增长 由于 TL431 本身就是一个高增益的误差放大器 因此 在图 3 中 直接采用脚 1 做反馈 从 UC3842 的脚 8 基准电压脚 拉了一个电阻到脚 l 脚 2 通过 R18 接地 这样做的好处是 跳过了 UC3842 的内部放大器 从而 把反馈信号的传输时间缩短了一半 使电源的动态响应变快 另外 直接