UC3846實(shí)現(xiàn)48V/50A通信電源

概述

開關(guān)功率電路分為電流模式控制和電壓模式控制兩種，UC3846是峰值電流模式控制的芯片。對(duì)于如圖1所示電壓模式控制，其優(yōu)點(diǎn)是：只有電壓環(huán)，單環(huán)控制容易設(shè)計(jì)和分析;波形振幅坡度大，因而噪聲小，工作穩(wěn)定;多模塊輸出時(shí)，低阻抗輸出能提供很好的交互控制。缺點(diǎn)是：電網(wǎng)或負(fù)載的擾動(dòng)必須轉(zhuǎn)化為輸出擾動(dòng)，才能被電壓環(huán)反饋，因此系統(tǒng)響應(yīng)慢;輸出LC濾波電路給系統(tǒng)增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增加零點(diǎn)或者需要一個(gè)低轉(zhuǎn)折頻率的主極點(diǎn);環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，因而補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

圖1 電壓模式控制

圖2所示電流模式控制在BUCK電路中的應(yīng)用，和電壓模式控制比較時(shí)鐘信號(hào)只是使電源工作在固定的頻率，PWM比較器的另一個(gè)輸入是用從電感電流取得的信號(hào)代替了晶振，當(dāng)電感電流的模擬信號(hào)超過(guò)了誤差放大器輸出的值Ve，脈寬關(guān)斷。

圖2 電流模式控制

電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)是：電感電流的上升坡度為Vin-Vo，所以電感電流的波形對(duì)電網(wǎng)電壓的變化能迅速響應(yīng)，避免了響應(yīng)延時(shí)和增益隨輸入電壓的變化而變化;誤差放大器用來(lái)控制輸出電流而不是輸出電壓，所以電感可以看作誤差電壓控制的電流源，輸出濾波電路可以簡(jiǎn)化為單極點(diǎn)電路(輸出電容并聯(lián)負(fù)載電阻)，這就使補(bǔ)償電路簡(jiǎn)化，并且比電壓模式控制具有更大的增益帶寬;誤差放大器的輸出鉗位達(dá)到逐脈沖電流限制的目的;電源模塊并聯(lián)時(shí)均流容易實(shí)現(xiàn)。

電壓模式控制的所有顯著缺點(diǎn)都被電流模式控制克服了，所以電流模式控制得到了越來(lái)越普遍的關(guān)注和應(yīng)用。但在應(yīng)用電流模式控制時(shí)也要注意以下問(wèn)題：占空比大于50%時(shí)，控制回路不穩(wěn)定，這時(shí)需加斜坡補(bǔ)償;控制調(diào)節(jié)電路是基于從電感電流取得的信號(hào)，因此功率部分的振蕩容易將噪聲引入控制電路。

芯片結(jié)構(gòu)

圖3 UC3846結(jié)構(gòu)圖

由圖3我們可以看到，UC3846通過(guò)用一個(gè)放大倍數(shù)固定為3的差動(dòng)電流檢測(cè)放大器(其輸入小于1.2V)來(lái)獲得電感電流或開關(guān)電流信號(hào)，該電流檢測(cè)放大器即使在低檢測(cè)電壓時(shí)也能保持高噪聲抑制。PWM比較器的另一端接電壓誤差放大器，電壓誤差放大器的輸出作為給定信號(hào)，電壓誤差放大器的輸出同時(shí)被限流調(diào)整端(腳1)鉗位在V腳1+0.7，從而完成了逐脈沖限流的目的。當(dāng)差動(dòng)電流檢測(cè)放大器檢測(cè)的是開關(guān)電流而不是電感電流時(shí)，由于開關(guān)管寄生電容放電，檢測(cè)電流會(huì)有一個(gè)較大的尖峰前沿，可能使電流檢測(cè)鎖存和PWM電路誤動(dòng)作，所以我們?cè)陔娏鳈z測(cè)輸入端加RC濾波。

UC3846在晶振信號(hào)通道上全部采用了NPN的晶體管取代開關(guān)速度慢的PNP的晶體管，所以即使在1MHz的工作頻率上也有很好的溫度穩(wěn)定性和波形。

晶振頻率由以下公式確定：

f=2.2/R1C1

為了減小噪聲對(duì)晶振的影響CT應(yīng)選擇大于1000pF的電容，本設(shè)計(jì)選擇了4000pF的晶振電容，7K的晶振電阻(工作頻率80K)。對(duì)于主電路拓?fù)錇槿珮螂娐返那闆r，為了防止開關(guān)管的全導(dǎo)通，要設(shè)定開關(guān)管都關(guān)斷的“死區(qū)時(shí)間”，“死區(qū)時(shí)間”由晶振的下降沿決定，UC3846的死區(qū)時(shí)間為：

Td=145Ct

UC3846的軟啟動(dòng)和關(guān)斷信號(hào)也是連到限流調(diào)節(jié)端1腳的。由圖3我們可以看出1腳的電位低于0.5V時(shí)無(wú)脈寬輸出，我們?cè)?腳連電容到地如圖5所示，開機(jī)后隨著電容的充電，電容電壓高于0.5V時(shí)有脈寬輸出，并隨著電容電壓的升高脈沖逐漸變寬，完成軟啟動(dòng)功能。當(dāng)外部有“關(guān)斷”信號(hào)到16腳時(shí)(一個(gè)高于350mV的高電平)，關(guān)斷比較器輸出高電平觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，軟啟動(dòng)電容放電，1腳電位降低到低于0.5V，輸出關(guān)斷。低電壓鎖存也通過(guò)一個(gè)PNP三極管接到了限流調(diào)整端腳1，當(dāng)參考電壓達(dá)到低壓鎖存門限時(shí)，三極管導(dǎo)通，1腳電容通過(guò)三極管放電，1腳電位降低，輸出鎖存;當(dāng)參考電壓升高超過(guò)低壓鎖存門限時(shí)，三極管關(guān)斷，1腳電容充電，電位上升，恢復(fù)輸出脈寬。

圖4 主電路拓?fù)?mdash;雙晶體管正激電路

電路設(shè)計(jì)

主電路主電路如圖4所示，采用了雙晶體管正激式變換電路以減小關(guān)斷時(shí)開關(guān)管兩端的電壓(本主電路的輸入接前級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出400V)，上下兩組開關(guān)管關(guān)斷期間通過(guò)上下的續(xù)流二極管將高頻變壓器原邊中存儲(chǔ)的能量釋放回電網(wǎng)。這種電路拓?fù)涓哳l變壓器不易飽和，上下兩組開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷，避免了全橋電路和半橋電路的開關(guān)管直通問(wèn)題，因此電路可靠性高。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在中、小功率的電路中。

控制電路

圖5 控制電路

控制電路如圖5所示，采用了峰值電流型控制芯片UC3846，其最大占空比小于50%，保證高頻變壓器原邊中存儲(chǔ)的能量釋放完。由圖1可以看出電流環(huán)的給定是電壓環(huán)的輸出，所以輸出電壓調(diào)節(jié)和輸出電流調(diào)節(jié)都是通過(guò)調(diào)節(jié)UC3846的電壓給定來(lái)完成的。第1腳限流調(diào)節(jié)端設(shè)定在4V，如圖所示即電流給定限定在3.5V。為了改善工作性能，電流檢測(cè)端接有RC濾波(電阻為10K，電容為100pF)。為了電路的穩(wěn)定運(yùn)行從晶振取一個(gè)小信號(hào)加到電流檢測(cè)的正極性端，完成斜坡補(bǔ)償?shù)墓δ?。為了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定工作，我們?cè)诘?腳補(bǔ)償端加了電阻電容串聯(lián)到地(電阻為1K，電容為1nF)。最后UC3846的輸出通過(guò)TC4424放大后接驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器給主電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

開關(guān)管兩端的波形及負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的輸出波形如圖6、圖7所示。我們可以看到電流模式控制對(duì)于擾動(dòng)有很好的響應(yīng)。

圖6 負(fù)載擾動(dòng)時(shí)輸出

圖7 開關(guān)管兩端波形

結(jié)論

在分析了電流模式控制和電壓模式控制的特點(diǎn)之后，從補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、電流控制能力、多模塊均流等方面考慮，電流模式控制具有比電壓模式控制更優(yōu)越的性能，并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用一種峰值電流模式控制的芯片UC3846設(shè)計(jì)的48V/50A通信電源，取得了良好的性能。