用UC3842設計開關電源

1、UC3842 的內部結構和特點UC3842 是美國 Unitrode 公司生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。 UC3842 為 8 腳雙列直插式封裝 , 其內部原理框圖如圖 1 （UC3842 內部結構圖）所示。主要由 5. 0V 基準電壓源、 用來精確地控制占空比調定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、 PWM 鎖存器、高增益 E /A 誤差放大 器和適用于驅動功率 MOSFET 的大電流推挽輸出電路等構成。 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 ,

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 為內部供外用的基準電壓 5V, 帶載能力 50mA 。電路結構與工作原理圖 2 （開關電源原理圖）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二極管 , 核心 PWM 器件采用 UC3842 。開關管采用快速大功率場效應管。啟動過程首先由電源通過啟動電阻 R1 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 16

3、V 時 ,UC3842 開始工作并提供驅動脈沖 , 由 6 端輸出推動開關管工作 , 輸出信號為高低電壓脈沖。 高電壓脈沖期間 , 場效應管導通 , 電流通過變壓器原邊 , 同時把能量儲存在變壓器中。根據同名端標識 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束時 , 場效應管截止 , 根據楞次 定律 , 變壓器原邊為維持電流不變 , 產生下正上負的感生電動勢 , 此時副邊各路二極管導通 , 向外提供 能量。同時反饋線圈向 UC3842 供電。UC3842 內部設有欠壓鎖定電路 , 其開啟和關閉閾值分別為 16V 和 10V, 如圖 3 所示。在開啟之 前 ,UC38

4、42 消耗的電流在 1mA 以內。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 , 設計時參照 這些參數選取 R1 , 所以在 R1 上的功耗很小。UC3842 起動時電流變化圖 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

5、的啟動 , R1 的工作也就基本結束 , 余下的任務交給 反饋繞組 , 由反饋繞組產生電壓來為 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 , 但實際應用時 , 按 1. 6 2. 0mA 設計則工作比較便利。即當 VCC 端電壓為 U 伏時圖 3 UC3842 啟動時電流變化圖用 UC3842 設計開關電源穩(wěn)壓過程 從圖 2 中可知 , 當場效應管導通時 , 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 , 在場效應管導通結束時 , Np 繞組中電流達到最大值 I

6、pmax , 根據法拉第電磁感應定律 :式中 : E 整流電壓 ; L p 變壓器初級繞組電感 ;Ton 場效應管導通時間。在場效應管關閉瞬間 , 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、次級繞組匝數。高頻變壓器在場效應管導通期間初級繞組儲存的能量與場效應管關閉期間次級繞組釋放的能量相等 :n ( E /Lp ) Ton = (Uo /Ls ) Toff式中 : L s 變壓器次級繞組電感 ; Uo 輸出電壓 ;

7、Toff 場效應管關閉時間。因為 Lp = n2Ls , 則 : ( E / nLs ) Ton = (Uo /Ls ) Toff , ETon= nUo ToffUo = ( Ton / nToff ) E (3)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 , 則脈寬調制器會相 應的增大輸出 PWM 波形的占空比 , 使大功率晶體管導通的時間變長 ; 反之 , 當電源電壓變化或負載 變化而引起輸出電壓升高時 , 則脈寬調制器會相應

8、的減小 PWM 輸出脈沖波形的占空比 , 使大功率晶體 管導通的時間變短 , 從而維持輸出電壓為一恒定值。UC3842 為固定工作頻率脈寬調制方式 , 輸出電壓或負載變化時僅調整占空比 , 控制場效應管的導通時 間。反饋電壓輸入 2 腳 , 此腳電壓與內部 2. 5V 基準進行比較 , 產生控制電壓 , 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 , 縮小導通脈寬 , 使電源處于間隙工作狀態(tài) ; 6 腳 , 輸出端 , 內部為圖騰柱式 , 上升、下降時間

9、僅 50ns, 驅動能力為 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 , 內部基準 5V (50mA) 。過流保護原理當負載電流超過額定值或短路時 , 場效應管電流增加 , R9 上的電壓反饋至 3 腳 ( 電壓大于 1V) , 通過 內部電流放大器使導通寬度變窄 , 輸出電壓下降 , 直至使 UC3842 停止工作 , 沒有觸發(fā)脈沖輸出 , 使 場效應管截止 , 達到保護功率管的目的。短路現象消失后 , 電源自動恢復正常工作。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

10、2 腳的電壓過高 , 內部保護電 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管截止。開關管保護電路 由 D3 、 R10 、 C1 及 R11 、 C14 、 D4 構成 , 消除由變壓器漏感產生的反峰電壓 , 從而使開關工 作電壓不至于太高而毀壞。設計中的注意事項起動電路的設計電路如圖 4（反饋繞組供電結構圖） 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 UC3842 輸出脈沖的高電平 持續(xù)時間。否則 , 電源將出現打嗝現象。因此 , 電容 C2 的容量和質

11、量的選取非常重要。筆者在實際設計 過程中 , C2 曾用 100 F鋁 電解電容 , 經常發(fā)現電源打嗝 ; 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 100 F 以上。反饋繞組的設計當 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 , 出現打嗝現象。另外 , 根 據筆者的經驗 , 若 UF 大于 17. 5V 時 , 也會引起 UC3842 工作異常 , 導致輸出脈沖占空比變小 , 輸 出電壓變低。故而反饋繞組匝數的選取及其纏繞是非常重要的 , 一般可按 13 15V 設計 , 使 UC3842 正常工作時 , 7 腳的電壓維持在 13V 左右。結束語UC3842 是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制器。假如由于某種原因使輸出電壓升