用UC3842設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源

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 （UC3842 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖）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 ,

2、 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 。電路結(jié)構(gòu)與工作原理圖 2 （開(kāi)關(guān)電源原理圖）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。啟動(dòng)過(guò)程首先由電源通過(guò)啟動(dòng)電阻 R1 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 16

3、V 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 ,UC38

4、42 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。UC3842 起動(dòng)時(shí)電流變化圖 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

5、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)圖 3 UC3842 啟動(dòng)時(shí)電流變化圖用 UC3842 設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源穩(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 I

6、pmax , 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律 :式中 : E 整流電壓 ; L p 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 :Ismax = nI pmax = n ( E /L p ) T on式中 : n 變壓器變比 , n = Np /N s , 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 :n ( E /Lp ) Ton = (Uo /Ls ) Toff式中 : L s 變壓器次級(jí)繞組電感 ; Uo 輸出電壓 ;

7、Toff 場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)間。因?yàn)?Lp = n2Ls , 則 : ( E / nLs ) Ton = (Uo /Ls ) Toff , ETon= nUo ToffUo = ( Ton / nToff ) E (3)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)

8、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

9、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) 。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。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

10、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。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。設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)起動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電路如圖 4（反饋繞組供電結(jié)構(gòu)圖） 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 UC3842 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)

11、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 100 F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 100 F 以上。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。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