用UC3842芯片設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源

筆者最近設(shè)計(jì)了由UC3842組成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，總的框架采用參考文獻(xiàn)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(jì)了電路參數(shù)。?

UC3842是美國(guó)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(lái)精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測(cè)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(dòng)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(cè)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。

啟動(dòng)過(guò)程

首先由電源通過(guò)啟動(dòng)電阻R1提供電流給電容C2充電，當(dāng)C2電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)電壓門(mén)檻值16V時(shí)，UC3842開(kāi)始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由6端輸出推動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作，輸出信號(hào)為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過(guò)變壓器原邊，同時(shí)把能量?jī)?chǔ)存在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)情況，此時(shí)變壓器各路副邊沒(méi)有能量輸出。當(dāng)6腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場(chǎng)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(fù)的感生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。同時(shí)反饋線圈向UC3842供電。UC3842內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開(kāi)啟和關(guān)閉閾值分別為16V和10V，如圖3所示。在開(kāi)啟之前，UC3842消耗的電流在1mA以?xún)?nèi)。電源電壓接通之后，當(dāng)7端電壓升至16V時(shí)UC3842開(kāi)始工作，啟動(dòng)正常工作后，它的消耗電流約為15mA。因?yàn)閁C3842的啟動(dòng)電流在1mA以?xún)?nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)參照這些參數(shù)選取R1，所以在R1上的功耗很小。

穩(wěn)壓過(guò)程

從圖2中可知，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器T初級(jí)繞組Np上的電能變成磁能儲(chǔ)存在變壓器中，在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，Np繞組中電流達(dá)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(jí)繞組電感；Ton——場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間。

在場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉瞬間，變壓器次級(jí)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(jí)繞組匝數(shù)。

高頻變壓器在場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通期間初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量與場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉期間次級(jí)繞組釋放的能量相等：

式中：Ls——變壓器次級(jí)繞組電感；Uo——輸出電壓；Toff——場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉時(shí)間。

上式說(shuō)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(fù)載變化而引起輸出電壓降低時(shí)，反饋線圈的輸出電壓則會(huì)變低，從而使2端電壓變低，則脈寬調(diào)制器會(huì)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(shí)間變長(zhǎng)；反之，當(dāng)電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓升高時(shí)，則脈寬調(diào)制器會(huì)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(shí)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(fù)載變化時(shí)僅調(diào)整占空比，控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間。反饋電壓輸入2腳，此腳電壓與內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)進(jìn)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(shí)電阻Rt及定時(shí)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(guò)1V時(shí)，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(shí)間僅50ns，驅(qū)動(dòng)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)。

過(guò)流保護(hù)原理

當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)額定值或短路時(shí)，場(chǎng)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(guò)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(méi)有觸發(fā)脈沖輸出，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

過(guò)壓保護(hù)原理

當(dāng)因某種原因使輸出電壓過(guò)高時(shí)，由反饋繞組形成的電壓也高，從而使2腳的電壓過(guò)高，內(nèi)部保護(hù)電路起動(dòng)，使6腳輸出脈沖高電平時(shí)間變短，或不輸出高電平使開(kāi)關(guān)管截止。

開(kāi)關(guān)管保護(hù)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(kāi)關(guān)工作電壓不至于太高而毀壞。3.1起動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電路如圖4所示，電容C2儲(chǔ)存的能量要能滿足電源開(kāi)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(shí)間要大于UC3 842輸出脈沖的高電平持續(xù)時(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，C2曾用100μF鋁電解電容，經(jīng)常發(fā)現(xiàn) 電源打嗝；測(cè)量反饋端電壓，總是太低，以至于反饋端的整流二極管都沒(méi)有工作，說(shuō)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(lái)使UC3842充分工作，因此，容量最好在100μF以上。

反饋繞組的設(shè)計(jì)

當(dāng)UC3842啟動(dòng)后，若反饋繞組不能提供足夠的UF，電路就會(huì)不停地起動(dòng) ，出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象。另外，根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，若UF大于17.5V時(shí)， 也會(huì)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(jì)，使UC3842正常工作時(shí)，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(shí)，脈 寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。UC3842可以直接驅(qū)動(dòng)MOS管、IGBT等，適合于 制作20～80W小功率開(kāi)關(guān)電源。由于器件設(shè)計(jì)巧妙，由主電源電壓直接啟動(dòng)，構(gòu)成電路所需 元件少，非常符合電路設(shè)計(jì)中“簡(jiǎn)潔至上”的原則。