用uc3842芯片設(shè)計開關(guān)電源論文

用 UC3842芯片設(shè)計開關(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)計中應(yīng)注意的問題。 關(guān)鍵字： 脈寬調(diào)制 電流控制 開關(guān)電源 筆者最近設(shè)計了由 UC3842組成的 DC-DC轉(zhuǎn)換器，總的框架采用參考文獻中現(xiàn)成的電路。但由于輸入電壓和工作頻率不同，重新設(shè)計了電路參數(shù)。 1、 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點 UC3842是美國 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基準電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、 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。開關(guān)管采用快速大功率場效應(yīng)管。 2.1 啟動過程 首先由電源通過啟動電阻 R 1提供電流給電容 C2充電，當 C2電壓達到 UC3842 的啟動電壓門檻值 16V 時， UC3842 開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由 6端輸出推動開關(guān)管工作，輸出信號為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時把能量儲存在變壓器中。根據(jù)同名端標識情況，此時變壓器各路副邊沒有能量輸出。當 6 腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時，場效應(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)生下正上負的感生電動勢，此時副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。同時反饋線圈向 UC3842 供電。 UC3842內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟和關(guān)閉閾值分別為 16V和 10V，如圖 3所示。在開啟之前， UC3842 消耗的電流在 1mA 以內(nèi)。電源電壓接通之后，當 7 端電壓升至 16V 時 UC3842 開始工作，啟動正常工作后，它的消耗電流約為 15mA。因為 UC3842的啟動電流在 1mA以內(nèi)，設(shè)計時參照這些參數(shù)選取 R1，所以在 R1 上的功耗很 小。 當然，若 VCC端電壓較小時，在 R1 上的壓降很小，全部供電工作都可由 R1降壓后來完成。但是，通常情況下， VCC端電壓都比較大，這樣完全通過 R1 來提供正常工作電壓就會使 R1自身功耗太大，對整個電源來說效率太低。一般來說，隨著 UC3842 的啟動， 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)生電壓來為 UC3842 供電。故 R1的功率不必選得很大， 1W、 2W 就足夠了。筆者認為，雖然理論上 UC3842 啟動電流在 1mA 以內(nèi)，但實際應(yīng)用時，按 1.6 2.0mA 設(shè)計則工作比較便利。即當 VCC端電壓為 U 伏時 2.2 穩(wěn)壓過程 從圖 2 中可知，當場效應(yīng)管導(dǎo)通時，整流電壓加在變壓器 T初級繞組 Np 上的電能變成磁能儲存在變壓器中，在場效應(yīng)管導(dǎo)通結(jié)束時，Np繞組中電流達到最大值 Ipmax，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律： 式中： E 整流電壓； Lp 變壓器初級繞組電感； Ton 場效應(yīng)管導(dǎo)通時間。 在場效應(yīng)管關(guān)閉瞬間，變壓器次級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、次級繞組匝數(shù)。 高頻變壓器在場效應(yīng)管導(dǎo)通期間初級繞組儲存的能量與場效應(yīng)管關(guān)閉期間次級繞組釋放的能量相等： 式中： Ls 變壓器次級繞組電感； Uo 輸出電壓； Toff場效應(yīng)管關(guān)閉時間。 上式說明，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載變化而引起輸出電壓降低時，反饋線圈的輸出電壓則會變低，從而使 2 端電壓變低，則脈寬調(diào)制器會相應(yīng)的增大輸出 PWM波形的占空比，使大功率晶體管導(dǎo)通的時間變長；反之，當電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓升高時，則脈寬調(diào)制器會相應(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，輸出電壓或負載變化時僅調(diào)整占空比，控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間。反饋電壓輸入 2 腳，此腳電壓與內(nèi)部 2.5V 基準進行比較，產(chǎn)生控制電壓，從而控制脈沖寬度；輸出脈沖的頻率由 4 腳外接定時電阻 Rt 及定時電容 Ct決定， f 的單位取 k ， Ct取 F 。 3 腳為電感電流傳感器端，當取樣超過 1V時，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、下降時間僅 50ns，驅(qū)動能力為 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 5V(50mA)。 2.3 過流保護原理 當負載電流超過額定值或短路時，場效應(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，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應(yīng)管截止，達到保護功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動恢復(fù)正常工作。 2.4 過壓保護原理 當因某種原因使輸出電壓過高時，由反饋繞組形成的電壓也高，從而使 2腳的電壓過高，內(nèi)部保護電路起動，使 6 腳輸出脈沖高電平時間變短，或不輸出高電平使開關(guān)管截止。 2.5 開關(guān)管保護電路 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，從而使開關(guān)工作電壓不至于太高而毀壞。 3、設(shè)計中 的注意事項 3.1 起動電路的設(shè)計 電路如圖 4所示，電容 C2儲存的能量要能滿足電源開始正常 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的放電時間要大于 UC3 842 輸出脈沖的高電平持續(xù)時間。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。筆者在實際設(shè)計過程中， C2 曾用 100F 鋁電解電容，經(jīng)常發(fā)現(xiàn) 電源打嗝；測量反饋端電壓，總是太低，以至于反饋端的整流二極管都沒有工作，說明反饋 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 當 UC3842 啟動后，若反饋繞組不能提供足夠的 UF，電路就會不停地起動 ，出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。另外，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，若 UF大于 17.5V時， 也會引起 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，使 UC3842 正常工作時， 7 腳的電壓維持 在 13V 左右。 4、結(jié)束語 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，脈 寬調(diào)制器就會改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，亦即占空比 D，使斬波后的平均 值電壓下降，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。 UC3842 可以直接驅(qū)動 MOS 管、