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[導(dǎo)讀]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)鍵詞:脈寬調(diào)制;電流控制;開關(guān)電源A Design of Switch Power with UC3842HU Junchen(Dept. of Automatic Control, Liaoning

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)鍵詞:脈寬調(diào)制;電流控制;開關(guān)電源

A Design of Switch Power with UC3842
HU Junchen
(Dept. of Automatic Control, Liaoning Institute of Science and Techno logy,
Benxi 117022, China)
  Key words: PWM(pulse-width modulation); current mode controller ; switch power
  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)。?
  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(zhǔn)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(zhǔn)電壓5V,帶載能力50mA。

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(dāng)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(biāo)識情況,此時變壓器各路副邊沒有能量輸出。當(dāng)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(dāng)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。

2.2穩(wěn)壓過程
  從圖2中可知,當(dāng)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。
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  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(dāng)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(zhǔn)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
 Rt的單位取kΩ,Ct取μF。3腳為電感電流傳感器端,當(dāng)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(zhǔn)5V(50mA)。
2.3過流保護原理
  當(dāng)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(dāng)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。
3.1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100μF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100μF以上。
3.2反饋繞組的設(shè)計
  當(dāng)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。
  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、IGBT等,適合于 制作20~80W小功率開關(guān)電源。由于器件設(shè)計巧妙,由主電源電壓直接啟動,構(gòu)成電路所需 元件少,非常符合電路設(shè)計中“簡潔至上”的原則。
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