讲述小型功率开关电源之UC3842的故事
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开关电源应用之广泛正是因为它具有高效率、小体积优点。传统的开关电源普遍采用PWM技术，近年来电流型PWM技术飞速发展。相比于电压型PWM，电流型PWM有更好的电压调整率和负载调整率，系统稳定及动态调整都有显著提高，特别在的限流能力和并联均流能力使控制电路更加简单可靠。 电流型PWM集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用，电流型PWM控制小功率电源已经取代电压型PWM控制小功率电源。Unitrode公司推出的UC3842系列控制芯片是电流型PWM控制器的典型代表。 DC/DC转换器 转换器是开关电源中最重要的组成部分之一，其有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图1所示。
图1 电路结构图 电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载;当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图2所示。
图2 M1导通与截止的等效拓扑 电流型PWM 与电压型PWM比较，电流型PWM控制在保留了输出电压反馈控制外，又增加了一个电感电流反馈环节，并以此电流反馈作为PWM所必须的斜坡函数。 下面分析理想空载下电流型PWM电路的工作情况(不考虑互感)。电路如图3所示。设V导通，则有 L·diL/dt = ui (1) iL以斜率ui/L线性增长，L为T1原边电感。经无感电阻R1采样Ud=R1·iL送到脉宽比较器A2与Ue比较，当Ud>Ue，A2输出高电平，送到RS锁存器的复位端，此时或非门的两个输入中必有一个高电平，经过或非门输出低电平关断功率开关管V。当时钟输出为高电平时，或非门输出始终为低电平，封锁PWM，这段时间由时钟振荡器OSC输出脉冲宽度决定，即PWM信号的死区时间。在振荡器输出脉冲下降同时，或非门两输入均为低电平，经或非门输出为高电平，V导通。
图3 理想空载下电流型PWM电路 简言之，PWM信号的上升沿由振荡器下降沿决定，而PWM的下降沿由电感电流限值信号和误差信号Ue共同决定，最大脉宽的下降沿受振荡器上升沿控制。图4为其工作时序图。
图4 工作时序图 UC3842简介 Unitrode公司的UC3842是一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元，其结构图如图5所示。
图5 UC3842结构图 各管脚功能简介如下。 1脚COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 2脚FEED BACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为 2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 3脚ISENSE是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如VMos管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。 4脚RT/CT是定时端。锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。 5脚GND是接地。 6脚OUT是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是±lA。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。 7脚Vcc是电源。当供电电压低于 16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。芯片工作后，输入电压可在 10～ 30V之间波动，低于 10V停止工作。工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。 8脚VREF是基准电压输出，可输出精确的 5V基准电压，电流可达50mA。 UV3842的电压调整率可达0.01%，工作频率为500kHz，启动电流小于1mA，输入电压为10～30V，基准电压为4.9～5.1V，工作温度为0～70℃，输出电流为1A。 开关稳压电源 由UC3842构成的开关电源电路如图6所示，T为高频变压器。刚开机时，220V交流电先通过PNF滤掉射频干扰，再经过整流滤波获得约 300V直流电压，然后经R2降压后向UC3842提供 16V启动电压。R1是限流电阻，C1为滤波电容。正常工作后，自馈线圈N2上的高频电压经过VD1、C1整流滤波，就作为UC3842的正常工作电压。R5、C4用以改善内部误差放大器的频率响应，R1是斜坡补偿电阻。开关频率 。C5为消噪电容，R10是过流检测电阻，R7是VMOS开关功率管的栅极限流电阻。由C8、VD1、R11、VD2、C9构成两级吸收回路，用于吸收尖峰电压。VD1和VD3选用恢复二极管FR305。VD4为输出级的整流管，采用肖特基二极管，以满足高频、大电流整流之需要。
图6 UC3842构成的开关电源电路 当NMOS管导通时，初级线圈N1电流线性增大，磁场增强，次级线圈中VD4截止，由电容C10向负载供电;此时，脉冲变压器原边回路中VD2亦截止，N1这时起存储能量的作用。当NMOS管截止后，初级线圈电流减小，磁场减弱，次级线圈回路中VD4导通，能量通过VD4及C10向负载释放，输出直流电压，部分能量由VD2向电阻R12和电容C9释放。 为保证开关电源输出直流电压不受干扰，电路中提供了稳压电路。一是采用NMOS管源极串接电阻R9，把电流信号变为电压信号，送入UC3842作为比较电压，控制激励脉冲的占空比，达到稳压目的。二是变压器T中的线圈N2间接采样，起到电压反馈作用，N2间接采样后，经过VD1和C3整流，在C3上取样，该电压一方面经过R3和R4分压送到UC3842的2管脚加到误差放大器A3的反相输入端，另一方面直接送到UC3842的7管脚，作为芯片供电电压。电路刚启动时由输入电压经整流滤波降压给芯片供电，工作后由反馈电压供电，因而UC3842的电源电压反映了输出电压的变化，起到反馈作用，使输出电压稳定。三是在UC3842中，锯齿波发生器输出锯齿波的斜率还与输入电压有关，当输入电压升高时锯齿波斜率增大，使输出激励脉冲占空比减小，从而使输出电压维持稳定，反之亦然，实际上相当于反馈控制。 总结 UC3842是目前常用的电流型PWM信号发生器，具有精度高、电压稳定、外围电路简单、价格低廉等优点，主要应用在输出电压范围是4.9～5.1V、功率是20～60W的小型功率开关电源中。 |
