基于UC3842/3843的隔離單端反激式開關(guān)電源

    開關(guān)電源以其高效率、小體積等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的開關(guān)電源普遍采用電壓型脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而近年電流型PWM技術(shù)得到了飛速發(fā)展。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性也得以明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力使控制電路變得簡(jiǎn)單可靠。

    電流型PWM集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，極大推動(dòng)了小功率開關(guān)電源的發(fā)展和應(yīng)用，電流型PWM控制小功率電源已經(jīng)取代電壓型PWM控制小功率電源。Unitrode公司推出的UC3842系列控制芯片是電流型PWM控制器的典型代表。

DC/DC轉(zhuǎn)換器

    轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源中最重要的組成部分之一，其有5種基本類型：?jiǎn)味苏な健?strong>單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點(diǎn)分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。       　

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

    電路工作過程如下：當(dāng)M1導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線圈中存儲(chǔ)能量，與變壓器次級(jí)相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級(jí)無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng)M1截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同時(shí)負(fù)載R上也有電流I流過。M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2  M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)?/P>

電流型PWM       　　

    與電壓型PWM比較，電流型PWM控制在保留了輸出電壓反饋控制外，又增加了一個(gè)電感電流反饋環(huán)節(jié)，并以此電流反饋?zhàn)鳛镻WM所必須的斜坡函數(shù)。 

    下面分析理想空載下電流型PWM電路的工作情況(不考慮互感)。電路如圖3所示。設(shè)V導(dǎo)通，則有

L·diL/dt = ui (1)       　　

    iL以斜率ui/L線性增長(zhǎng)，L為T1原邊電感。經(jīng)無感電阻R1采樣Ud=R1·iL送到脈寬比較器A2與Ue比較，當(dāng)Ud>Ue，A2輸出高電平，送到RS鎖存器的復(fù)位端，此時(shí)或非門的兩個(gè)輸入中必有一個(gè)高電平，經(jīng)過或非門輸出低電平關(guān)斷功率開關(guān)管V。當(dāng)時(shí)鐘輸出為高電平時(shí)，或非門輸出始終為低電平，封鎖PWM，這段時(shí)間由時(shí)鐘振蕩器OSC輸出脈沖寬度決定，即PWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。在振蕩器輸出脈沖下降同時(shí)，或非門兩輸入均為低電平，經(jīng)或非門輸出為高電平，V導(dǎo)通。

圖3  理想空載下電流型PWM電路

    簡(jiǎn)言之，PWM信號(hào)的上升沿由振蕩器下降沿決定，而PWM的下降沿由電感電流限值信號(hào)和誤差信號(hào)Ue共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升沿控制。圖4為其工作時(shí)序圖。

圖4 工作時(shí)序圖

UC3842簡(jiǎn)介       　　

    Unitrode公司的UC3842是一種高性能固定頻率電流型控制器，包含誤差放大器、PWM比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電源和欠壓鎖定等單元，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5  UC3842結(jié)構(gòu)圖

    各管腳功能簡(jiǎn)介如下。       　　

    1腳COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。       　　

    2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓(一般為+2.5V)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。       　　

    3腳ISENSE是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關(guān)管(如VMos管)的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過1V時(shí)，UC3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。

    4腳RT/CT是定時(shí)端.鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容C和定時(shí)電阻R的公共端。       　　

    5腳GND是接地。       　　

    6腳OUT是輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅(qū)動(dòng)能力是±lA。這種圖騰柱結(jié)構(gòu)對(duì)被驅(qū)動(dòng)的功率管的關(guān)斷有利，因?yàn)楫?dāng)三極管VTl截止時(shí)，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時(shí)提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關(guān)斷。       　　

    7腳Vcc是電源。當(dāng)供電電壓低于 ＋16V時(shí)，UC3824不工作，此時(shí)耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在+10～+30V之間波動(dòng)，低于+10V停止工作。工作時(shí)耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。       　　

    8腳VREF是基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出精確的+5V基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50mA。       　　

    UV3842的電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率為500kHz，啟動(dòng)電流小于1mA，輸入電壓為10～30V，基準(zhǔn)電壓為4.9～5.1V，工作溫度為0～70℃，輸出電流為1A。      

開關(guān)穩(wěn)壓電源

    由UC3842構(gòu)成的開關(guān)電源電路如圖6所示，T為高頻變壓器。剛開機(jī)時(shí)，220V交流電先通過PNF濾掉射頻干擾，再經(jīng)過整流濾波獲得約+300V直流電壓，然后經(jīng)R2降壓后向UC3842提供+16V啟動(dòng)電壓。R1是限流電阻，C1為濾波電容。正常工作后，自饋線圈N2上的高頻電壓經(jīng)過VD1、C1整流濾波，就作為UC3842的正常工作電壓。R5、C4用以改善內(nèi)部誤差放大器的頻率響應(yīng)，R1是斜坡補(bǔ)償電阻。開關(guān)頻率 。C5為消噪電容，R10是過流檢測(cè)電阻，R7是VMOS開關(guān)功率管的柵極限流電阻。由C8、VD1、R11、VD2、C9構(gòu)成兩級(jí)吸收回路，用于吸收尖峰電壓。VD1和VD3選用恢復(fù)二極管FR305。VD4為輸出級(jí)的整流管，采用肖特基二極管，以滿足高頻、大電流整流之需要。      

圖6  UC3842構(gòu)成的開關(guān)電源電路

    當(dāng)NMOS管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)線圈N1電流線性增大，磁場(chǎng)增強(qiáng)，次級(jí)線圈中VD4截止，由電容C10向負(fù)載供電；此時(shí)，脈沖變壓器原邊回路中VD2亦截止，N1這時(shí)起存儲(chǔ)能量的作用。當(dāng)NMOS管截止后，初級(jí)線圈電流減小，磁場(chǎng)減弱，次級(jí)線圈回路中VD4導(dǎo)通，能量通過VD4及C10向負(fù)載釋放，輸出直流電壓，部分能量由VD2向電阻R12和電容C9釋放。       　　

    為保證開關(guān)電源輸出直流電壓不受干擾，電路中提供了穩(wěn)壓電路。一是采用NMOS管源極串接電阻R9，把電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，送入U(xiǎn)C3842作為比較電壓，控制激勵(lì)脈沖的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。二是變壓器T中的線圈N2間接采樣，起到電壓反饋?zhàn)饔?，N2間接采樣后，經(jīng)過VD1和C3整流，在C3上取樣，該電壓一方面經(jīng)過R3和R4分壓送到UC3842的2管腳加到誤差放大器A3的反相輸入端，另一方面直接送到UC3842的7管腳，作為芯片供電電壓。電路剛啟動(dòng)時(shí)由輸入電壓經(jīng)整流濾波降壓給芯片供電，工作后由反饋電壓供電，因而UC3842的電源電壓反映了輸出電壓的變化，起到反饋?zhàn)饔?，使輸出電壓穩(wěn)定。三是在UC3842中，鋸齒波發(fā)生器輸出鋸齒波的斜率還與輸入電壓有關(guān)，當(dāng)輸入電壓升高時(shí)鋸齒波斜率增大，使輸出激勵(lì)脈沖占空比減小，從而使輸出電壓維持穩(wěn)定，反之亦然，實(shí)際上相當(dāng)于反饋控制。

總結(jié)

    UC3842是目前流行的電流型PWM信號(hào)發(fā)生器，具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在輸出電壓范圍是4.9～5.1V、功率為20～60W的小型功率開關(guān)電源中。