UC3842原理及應(yīng)用

1、UC3842的工作原理及3842在開關(guān)電源中的應(yīng)用 電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842工作原理及應(yīng)用UC3842是美國Unitrode公司(該公司現(xiàn)已被TI公司收購)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，可直接驅(qū)動雙極型晶體管、MOSFEF 和IGBT 等功率型半導(dǎo)體器件，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝調(diào)試簡便、性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于計算機、顯示器等系統(tǒng)電路中作開關(guān)電源驅(qū)動器件。 1 UC3842 內(nèi)部工作原理簡介 圖1 示出了UC3842 內(nèi)部框圖和引腳圖，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻

2、容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端， 當(dāng)檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns 驅(qū)動能力為±1A ；腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；腳為5V 基準電壓輸出端，有50mA 的負載能力。 圖1 UC3842 內(nèi)部原理框圖2 UC3842 組成的開

3、關(guān)電源電路 圖2 是由UC3842 構(gòu)成的開關(guān)電源電路，220V 市電由C1、L1 濾除電磁干擾，負溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt1 限流，再經(jīng)VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器RP1 降壓后加到UC3842 的供電端（腳），為UC3842 提供啟動電壓，電路啟動后變壓器的付繞組的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端腳，為UC3842 提供負反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。腳和腳外接的R6、C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性。腳輸出的方

4、波信號經(jīng)R7、R8 分壓后驅(qū)動MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組的能量傳遞到付邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負載使用。電阻R10 用于電流檢測，經(jīng)R9、C9 濾濾后送入UC3842 的腳形成電流反饋環(huán). 所以由UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)UC3842 的腳電壓高于1V 時振蕩器停振，保護功率管不至于過流而損壞。圖2 UC3842 構(gòu)成的開關(guān)電源3 電路的調(diào)試 此電路的調(diào)試需要注意：一是調(diào)節(jié)電位器RP1使電路起振，起振電流在1mA左右；二是起振后變壓器繞組提供的直流電壓應(yīng)能使電路正常工作，此電壓的范圍大約為1117V 之間；三是根據(jù)輸出電壓的

5、數(shù)值大小來改變R4，以確定其反饋量的大??；四是根據(jù)保護要求來確定檢測電阻R10 的大小，通常R10 是2W、1以下的電阻。電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842在開關(guān)電源中的應(yīng)用開關(guān)穩(wěn)壓電源被譽為“新型高效節(jié)能電源”，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。由于內(nèi)部器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此本身消耗的能量極低，電源效率可以達到80%以上，比串連調(diào)整線性穩(wěn)壓電源的效率提高近一倍。隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、集成化的方向發(fā)展，高效率的開關(guān)穩(wěn)壓電源已得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文首先概述開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理，接著介紹電流型脈寬調(diào)制器UC3842芯片，著重論述了UC3842在開關(guān)穩(wěn)壓電

6、源中的應(yīng)用，并以一個實際應(yīng)用實例分析了電源電路的構(gòu)成和參數(shù)計算。開關(guān)電源的基本工作原理相對于線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點，開關(guān)電源的效率可達90%以上，而且造價低、體積小。開關(guān)電源的工作原理如圖1所示，它由調(diào)整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準源等構(gòu)成。在圖1中，三角波發(fā)生器的輸出波形加到比較器的反相端，其同相端接比較放大器的輸出Vf。當(dāng)三角波的幅度小于比較器的同相輸入時，比較器輸出高電平，對應(yīng)調(diào)整管導(dǎo)通的時間為ton。反之，當(dāng)三角波的幅度大于比較器的同相輸入時，對應(yīng)調(diào)整管的截至?xí)r間為toff。為了穩(wěn)定電壓輸出，按電壓負反饋方式引入反饋，以確定基準源和比較放大器之間的聯(lián)系。假設(shè)

7、輸出電壓增加，則FVo增加，比較放大器的輸出Vf減小，那么比較器的輸出波形中toff增加，從而使調(diào)整管的導(dǎo)通時間減小，輸出電壓下降，起到穩(wěn)壓的作用。如果忽略電感的直流電阻，那么輸出電壓Vo為調(diào)整管發(fā)射極電壓Ve的平均分量，于是有：其中，q為占空比。在輸入電壓一定的時候，輸出電壓與占空比正比，通過改變比較器輸出波形的占空比就可以控制輸出電壓的幅值。圖1 開關(guān)電源的工作原理UC3842的工作原理UC3842是美國Unitorde公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動雙極型的功率管或場效應(yīng)管。其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，電壓調(diào)整率可達0.01%，工作頻

8、率高達500kHz，啟動電流小于1mA，正常工作電流為5mA，并可利用高頻變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路如圖2所示。圖2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路UC3842是8腳的雙列直插的封裝形式。如圖2所示：第1腳為補償腳，內(nèi)部誤差放大器的輸出端，外接阻容元件以確定誤差放大器的增益和頻響。第2腳是反饋腳，將采樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，控制脈沖的寬度。第3腳為電流傳感端，在功率管的源極串接一個

9、小阻值的采樣電阻，構(gòu)成過流保護電路。當(dāng)電源電壓異常時，功率管的電流增大，當(dāng)采樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率管。第4腳為鋸齒振蕩器外部定時電阻R與定時電容C的公共端。第5腳為地。第6腳為圖騰柱式輸出電壓，當(dāng)上面的三極管截止的時候下面的三極管導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速了功率管的關(guān)斷。第7腳為輸入電壓，開關(guān)電源啟動的時候需要在該引腳加一個不低于16V的電壓，芯片工作后，輸入電壓可以在1030V之間波動，低于10V時停止工作。第8腳為內(nèi)部5.0V的基準電壓輸出，電流可達50mA。電路上電時，外接的啟動電路通過引腳7提供芯片需要的啟動電壓

10、。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)6腳輸出驅(qū)動外接的開關(guān)功率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號反饋到3腳，維護系統(tǒng)的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，則2腳的取樣電壓也變高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，則開關(guān)功率管的導(dǎo)通時間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的RC網(wǎng)絡(luò)。所產(chǎn)生的鋸

11、齒波送到脈沖寬度調(diào)制器，作為其工作周期，脈寬調(diào)制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。實際應(yīng)用電路圖3 開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體框圖根據(jù)UC3842的特點，設(shè)計一個3036V可調(diào)的開關(guān)型穩(wěn)壓電源，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。交流輸入后通過整流濾波得到直流電壓，經(jīng)過LM317后獲得16.5V的直流電壓，作為UC3842芯片的啟動電壓。芯片啟動后通過脈寬調(diào)制控制功率管的開關(guān)從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出?？刂齐娐返暮诵氖荱C3842，其后級的高速開關(guān)功率管要求滿足一定的耐壓值和足夠大的額定電流。這里可以選用IRF540，其耐壓值高達100V，額定電流可以達到33A。高頻變壓器的升壓系數(shù)為1.2，采

12、用雙橋間距為0.3mm的鐵氧鐵芯，由直徑0.65mm的銅絲繞制而成。高頻變壓器出來的脈動直流電壓，先通過二極管整理，再通過3個50V/3300F的電解電容，和由一個33H電感和2個104的電容構(gòu)成型濾波器進行濾波后輸出。其UC3842的核心電路如圖4所示。圖4 UC3842的核心電路圖如圖4所示，UC3842的工作頻率由4腳和8腳間的RT和CT決定的。理論上，其內(nèi)部的振蕩頻率最高可達500kHz。在本系統(tǒng)中RT和CT分別選用了10k和0.045F，根據(jù)公式：可以計算得其工作頻率約為40kHz，符合開關(guān)電源的要求。在UC3842的2腳處接上一個10k的電位器，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值改變反饋電壓，使

13、脈寬的占空比發(fā)生變化，從而可以實現(xiàn)輸出電壓3036V的連續(xù)可調(diào)變化。結(jié)語利用UC3842設(shè)計的電流制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率低的缺點，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、體積小、易實現(xiàn)。該穩(wěn)壓電源是目前實用和理想的穩(wěn)壓電源，具有很大的發(fā)展前景。UC3842是美國Unltmde公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，它具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡單等特點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著UC3842開關(guān)頻率的提高，由它所構(gòu)成的開關(guān)電源的保護電路也出現(xiàn)了很多問題。本文分析了UC3842保護電路的缺陷及改進的方法。  

14、0; 1UC3842的典型應(yīng)用    UC3842的典型應(yīng)用電路如圖l所示。該電路主要由橋式整流電路，高頻變壓器，MOS功率管以及電流型脈寬調(diào)制芯片UC3842構(gòu)成。其工作原理為：220V的交流電經(jīng)過橋式整流濾波電路后，得到大約+300V的直流高壓，這一直流電壓被M0S功率管斬波并通過高頻變壓器降壓，變成頻率為幾十kHz的矩形波電壓，再經(jīng)過輸出整流濾波，就得到了穩(wěn)定的直流輸出電壓。其中高頻變壓器的    自饋線圈N2中感應(yīng)的電壓，經(jīng)D2整流后所得到的直流電壓被反饋到UC3842內(nèi)部的誤差放大器并和基準電壓比較得到誤差電壓Vr，同時在取

15、樣電阻R11上建立的直流電壓也被反饋到UC3842電流測定比較器的同柑輸入端，這個檢測電壓和誤差電壓Vt相比較，產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，用來控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，以決定高頻變壓器的通斷狀態(tài)，從而達到輸出穩(wěn)壓的目的。圖l中，R5用來限制C8產(chǎn)生的充電峰值電流?？紤]到Vi及Vref上的噪聲電壓也會影響輸出的脈沖寬度，因此，在UC3842的腳7和腳8上分別接有消噪電容C4和C2。R7是MOS功率管的柵極限流電阻。另外，在UC3842的輸入端與地之間，還有34V的穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，該穩(wěn)壓管就被反向擊穿，將Vi鉗位于34V，保護芯片不致?lián)p壞。   

16、2UC3842保護電路的缺陷    2.l過載保護的缺陷    當(dāng)電源過載或輸出短路時，UC3842的保護電路動作，使輸出脈沖的占空比減小，輸出電壓降低，UC3842的供電電壓也跟著降低，當(dāng)?shù)偷経C3842不能工作時，整個電路關(guān)閉，然后通過R6扦始下一次啟動過程。這種保護被稱為“打嗝”式(hiccup)保護。在這種保護狀態(tài)下，電源只工作幾個開關(guān)周期，然后進入很長時間(幾百ms到幾s)的啟動過程，因此，它的平均功率很低。但是，由于變壓器存在漏感等原因，有的開關(guān)電源在每個開關(guān)周期都有很高的開關(guān)尖峰電壓，即使在占空比很小的情況下，輔助供電電

17、壓也不能降到足夠低，所以不能實現(xiàn)理想的保護功能。    2.2過流保護的缺陷    UC3842的過流保護功能是通過腳3實現(xiàn)的。當(dāng)腳3上檢測的電壓高于lV時，就會使UC3842內(nèi)部的比較器翻轉(zhuǎn)，將PWM鎖存器置零，使脈沖調(diào)制器處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)了電路的過流保護。由于檢測電阻能感應(yīng)出峰值電感電流，所以自然形成逐個脈沖限流電路，只要檢測電阻上的電平達到lV，脈寬調(diào)制器立即關(guān)閉，因此這種峰值電感電流檢測技術(shù)可以精確限制輸出的最大電流，使得開關(guān)電源中的磁性元件和功率器件不必設(shè)計較大的余量，就能保證穩(wěn)壓電源的工作可靠。但是，通常我們采用的采

18、樣電阻都是金屬膜或氧化膜電阻，這種電阻是有感的，當(dāng)電流流過取樣電阻時，就會感生一定的感性電壓。這個電感分量在高頻時呈現(xiàn)的阻抗會很大，因此它將消耗很大的功率。隨著頻率的增加，流過取樣電阻的電流有可能在下一個振蕩周期到來之前還沒放完，取樣電阻承受的電流將越來越大，這樣將會引起UC3842的誤操作，甚至?xí)鹫C。因此，UC3842的這種過流保護功能有時難以起到很好的保護作用，存在著一定的缺陷。    2.3電路穩(wěn)定性的缺陷    在圖l所示的電路中，當(dāng)電源的占空比大于50，或變壓器工作在連續(xù)電流條件下時，整個電路就會產(chǎn)生分諧波振蕩，引起電

19、源輸出的不穩(wěn)定。圖2表示了變壓器中電感電流的變化過程。沒在t0時刻，開關(guān)開始導(dǎo)通，使電感電流以斜率m1上升，該斜率是輸入電壓除以電感的函數(shù)。t1時刻，電流取樣輸入達到由控制電壓建立的門限，這導(dǎo)致開關(guān)斷開，電流以斜率m2衰減，直至下一個振蕩周期。如果此時有一個擾動加到控制電壓上，那么它將產(chǎn)生一個I，這樣我們就會發(fā)現(xiàn)電路存在著不穩(wěn)定的情況，即在一個固定的振蕩器周期內(nèi)，電流衰減時閘減少，最小電流開關(guān)接通時刻t2上升了I+Im2/m1，最小電流在下一個周期t3減小到(I+Im2/m4)(m2/m1)，在每一個后續(xù)周期，該擾動m2m1被相乘，在開關(guān)接通時交替增加和減小電感電流，也許需要幾個振蕩器周期才能

20、使電感電流為零，使過程重新開始，如果m2m1大于l，變換器將會不穩(wěn)定。因此，圖l所示的電路在某狀態(tài)下存在著一定的失穩(wěn)隱患。    3保護電路的改進    針對上述分析，改進電路如圖3所示，該電路具有以下特點。    1)通過在UC3842的采樣電壓處接入一個射極跟隨器，從而在控制電壓上增加了一個與脈寬調(diào)制時鐘同步的人為斜坡，它可以在后續(xù)的周期內(nèi)將I擾動減小到零。因此，即使系統(tǒng)工作在占空比大于50或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。不過該補償斜坡的斜率必須等于或略大于m22，系統(tǒng)才能具有真正

21、的穩(wěn)定性。    2）取樣電阻改用無感電阻。無感電阻是一種雙線并繞的繞線電阻，其精度高且容易做到大功率。采用無感電阻后，其阻抗不會隨著頻率的增加而增加。這樣，即使在高頻情況下取樣電阻所消耗的功率也不會超過它的標稱功率，因此也就不會出現(xiàn)炸機現(xiàn)象。    3)反饋電路改用TL43l加光耦來控制。我們都知道放大器用作信號傳輸時都需要傳輸時間，并不是輸出與輸入同時建立。如果把反饋信號接到UC3842的電壓反饋端，則反饋信號需連續(xù)通過兩個高增益誤差放大器，傳輸時間增長。由于TL431本身就是一個高增益的誤差放大器，因此，在圖3中直接采用腳1做反

22、饋，從UC3842的腳8(基準電壓腳)拉了一個電阻到腳l，腳2通過R18接地。這樣做的好處是，跳過了UC3842的內(nèi)部放大器，從而把反饋信號的傳輸時間縮短了一半，使電源的動態(tài)響應(yīng)變快。另外，直接控制UC3842的腳l還可簡化系統(tǒng)的頻率補償以及輸出功率小等問題。    4 實驗結(jié)果    圖4給出了UC3842檢測電阻的電壓波形和采樣信號波形。從圖4中可以看出，經(jīng)過改進后的電路，其采樣信號的波形緊緊跟隨檢測電阻的電壓波形，沒有出現(xiàn)非常大的尖峰電壓。因此，該電路能有效避免因變壓器漏感等異常干擾引起的電源誤操作的問題，也能有效避免因電源占空比