用 UC3842芯片設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源 摘 要 ：介紹電流控制型脈寬調(diào)制器 UC3842 的原理及特性，并討論其在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。 關(guān)鍵字： 脈寬調(diào)制 電流控制 開(kāi)關(guān)電源 筆者最近設(shè)計(jì)了由 UC3842組成的 DC-DC轉(zhuǎn)換器，總的框架采用參考文獻(xiàn)中現(xiàn)成的電路。但由于輸入電壓和工作頻率不同，重新設(shè)計(jì)了電路參數(shù)。 1、 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) UC3842是美國(guó) Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。 UC3842為 8 腳雙列直插式封裝，其內(nèi)部原理框圖如圖 1 所 示。主要由 5.0V基準(zhǔn)電壓源、用來(lái)精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測(cè)定比較器、 PWM 鎖存器、高增益 E/A 誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。端 1為 COMP 端；端 2 為反饋端；端 3 為電流測(cè)定端；端 4 接 Rt、 Ct 確定鋸齒波頻率；端 5 接地；端 6 為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端 7 為集成塊工作電源電壓端，可以工作在 8 40V；端 8 為內(nèi)部供外用的基準(zhǔn)電壓 5V，帶載能力 50mA。 2、電路結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 2所示為筆者在實(shí)際工作中使用的電路圖。輸入電壓為 24V直流電。 三路直流輸出，分別為 +5V/4A， +12V/0.3A 和 -12V/0.3A。所有的二極管都采用快速反應(yīng)二極管，核心 PWM器件采用 UC3842。開(kāi)關(guān)管采用快速大功率場(chǎng)效應(yīng)管。 2.1 啟動(dòng)過(guò)程 首先由電源通過(guò)啟動(dòng)電阻 R 1提供電流給電容 C2充電，當(dāng) C2電壓達(dá)到 UC3842 的啟動(dòng)電壓門(mén)檻值 16V 時(shí)， UC3842 開(kāi)始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由 6端輸出推動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作，輸出信號(hào)為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過(guò)變壓器原邊，同時(shí)把能量?jī)?chǔ)存在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)情況，此時(shí)變壓器各路副邊沒(méi)有能量輸出。當(dāng) 6 腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊為維持電流不變，產(chǎn)生下正上負(fù)的感生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。同時(shí)反饋線圈向 UC3842 供電。 UC3842內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開(kāi)啟和關(guān)閉閾值分別為 16V和 10V，如圖 3所示。在開(kāi)啟之前， UC3842 消耗的電流在 1mA 以內(nèi)。電源電壓接通之后，當(dāng) 7 端電壓升至 16V 時(shí) UC3842 開(kāi)始工作，啟動(dòng)正常工作后，它的消耗電流約為 15mA。因?yàn)?UC3842的啟動(dòng)電流在 1mA以內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)參照這些參數(shù)選取 R1，所以在 R1 上的功耗很 小。 當(dāng)然，若 VCC端電壓較小時(shí)，在 R1 上的壓降很小，全部供電工作都可由 R1降壓后來(lái)完成。但是，通常情況下， VCC端電壓都比較大，這樣完全通過(guò) R1 來(lái)提供正常工作電壓就會(huì)使 R1自身功耗太大，對(duì)整個(gè)電源來(lái)說(shuō)效率太低。一般來(lái)說(shuō)，隨著 UC3842 的啟動(dòng)， R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓來(lái)為 UC3842 供電。故 R1的功率不必選得很大， 1W、 2W 就足夠了。筆者認(rèn)為，雖然理論上 UC3842 啟動(dòng)電流在 1mA 以內(nèi)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，按 1.6 2.0mA 設(shè)計(jì)則工作比較便利。即當(dāng) VCC端電壓為 U 伏時(shí) 2.2 穩(wěn)壓過(guò)程 從圖 2 中可知，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器 T初級(jí)繞組 Np 上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中，在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，Np繞組中電流達(dá)到最大值 Ipmax，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律： 式中： E 整流電壓； Lp 變壓器初級(jí)繞組電感； Ton 場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間。 在場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉瞬間，變壓器次級(jí)繞組放電電流為最大值 Ismax，若忽略各種損耗應(yīng)為 式中： n 變壓器變比， n=Np/Ns， Np、 Ns為變壓器初、次級(jí)繞組匝數(shù)。 高頻變壓器在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通期間初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量與場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉期間次級(jí)繞組釋放的能量相等： 式中： Ls 變壓器次級(jí)繞組電感； Uo 輸出電壓； Toff場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)間。 上式說(shuō)明，輸出電壓 Uo 與 Ton 成正比，與匝比 n 及 Toff 成反比。比如，由于電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓降低時(shí)，反饋線圈的輸出電壓則會(huì)變低，從而使 2 端電壓變低，則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)的增大輸出 PWM波形的占空比，使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變長(zhǎng)；反之，當(dāng)電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓升高時(shí)，則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)的減 小 PWM 輸出脈沖波形的占空比，使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變短，從而維持輸出電壓為一恒定值。 UC3842為固定工作頻率脈寬調(diào)制方式，輸出電壓或負(fù)載變化時(shí)僅調(diào)整占空比，控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間。反饋電壓輸入 2 腳，此腳電壓與內(nèi)部 2.5V 基準(zhǔn)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，從而控制脈沖寬度；輸出脈沖的頻率由 4 腳外接定時(shí)電阻 Rt 及定時(shí)電容 Ct決定， f 的單位取 k ， Ct取 F 。 3 腳為電感電流傳感器端，當(dāng)取樣超過(guò) 1V時(shí)，縮小導(dǎo)通脈寬，使電源處于間隙工作狀態(tài)； 6腳，輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅 50ns，驅(qū)動(dòng)能力為 1A ； 7 腳，供電輸入，起振后工作電壓為 10 13V，低于 10V 停止工作，功耗為15mW； 8腳，內(nèi)部基準(zhǔn) 5V(50mA)。 2.3 過(guò)流保護(hù)原理 當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定值或短路時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管電流增加， R9 上的電壓反饋至 3 腳 (電壓大于 1V)，通過(guò)內(nèi)部電 流放大器使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使 UC3842 停止工作，沒(méi)有觸發(fā)脈沖輸出，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作。 2.4 過(guò)壓保護(hù)原理 當(dāng)因某種原因使輸出電壓過(guò)高時(shí)，由反饋繞組形成的電壓也高，從而使 2腳的電壓過(guò)高，內(nèi)部保護(hù)電路起動(dòng)，使 6 腳輸出脈沖高電平時(shí)間變短，或不輸出高電平使開(kāi)關(guān)管截止。 2.5 開(kāi)關(guān)管保護(hù)電路 由 D3、 R10、 C1 及 R11、 C14、 D4構(gòu)成，消除由變壓器漏感產(chǎn)生的反峰電壓，從而使開(kāi)關(guān)工作電壓不至于太高而毀壞。 3、設(shè)計(jì)中 的注意事項(xiàng) 3.1 起動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 電路如圖 4所示，電容 C2儲(chǔ)存的能量要能滿足電源開(kāi)始正常 工作的需要，使得 UC3842 第 7腳有穩(wěn)定、充足的輸入供給。即電容 C2的放電時(shí)間要大于 UC3 842 輸出脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間。否則，電源將出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。因此，電容 C2 的容量和 質(zhì)量的選取非常重要。筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中， C2 曾用 100F 鋁電解電容，經(jīng)常發(fā)現(xiàn) 電源打嗝；測(cè)量反饋端電壓，總是太低，以至于反饋端的整流二極管都沒(méi)有工作，說(shuō)明反饋 端電壓幅度不夠。原因在于 C2容量不夠，不能提供足夠的能量來(lái)使 UC3842 充 分工作，因此 ，容量最好在 100F 以上。 3.2 反饋繞組的設(shè)計(jì) 當(dāng) UC3842 啟動(dòng)后，若反饋繞組不能提供足夠的 UF，電路就會(huì)不停地起動(dòng) ，出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。另外，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，若 UF大于 17.5V時(shí)， 也會(huì)引起 UC3842 工作異常，導(dǎo)致輸出脈沖占空比變小，輸出電壓變低。故而反饋繞組匝數(shù)的 選取及其纏繞是非常重要的，一般可按 13 15V 設(shè)計(jì)，使 UC3842 正常工作時(shí)， 7 腳的電壓維持 在 13V 左右。 4、結(jié)束語(yǔ) UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器。假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈 寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即占空比 D，使斬波后的平均 值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。 UC3842 可以直接驅(qū)動(dòng) MOS 管、