電流型PWM集成控制器UC3842/UC3843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)整率和負載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(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單可靠。

　　電流型PWM集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，極大推動了小功率開關(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：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點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，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載；當(dāng)M1截止時，變壓器次級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，同時負載R上也有電流I流過。M1導(dǎo)通與截止的等效拓撲如圖2所示。

圖2  M1導(dǎo)通與截止的等效拓撲

       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，又增加了一個電感電流反饋環(huán)節(jié)，并以此電流反饋作為PWM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，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，此時或非門的兩個輸入中必有一個高電平，經(jīng)過或非門輸出低電平關(guān)斷功率開關(guān)管V。當(dāng)時鐘輸出為高電平時，或非門輸出始終為低電平，封鎖PWM，這段時間由時鐘振蕩器OSC輸出脈沖寬度決定，即PWM信號的死區(qū)時間。在振蕩器輸出脈沖下降同時，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

　　簡言之，PWM信號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和誤差信號Ue共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升沿控制。圖4為其工作時序圖。

圖4 工作時序圖

　　UC3842簡介       　　

　　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

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       各管腳功能簡介如下。       　　

　　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電壓(一般為+2.5V)進行比較，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，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，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率開關(guān)管。     

4腳RT/CT是定時端。鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時電阻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)動能力是±lA。這種圖騰柱結(jié)構(gòu)對被驅(qū)動的功率管的關(guān)斷有利，因為當(dāng)三極管VTl截止時，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時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，UC3824不工作，此時耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個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，低于+10V停止工作。工作時耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。       　　

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

　　UV3842的電壓調(diào)整率可達0.01%，工作頻率為500kHz，啟動電流小于1mA，輸入電壓為10～30V，基準電壓為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。剛開機時，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是斜坡補償電阻。開關(guān)頻率 。C5為消噪電容，R10是過流檢測電阻，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，初級線圈N1電流線性增大，磁場增強，次級線圈中VD4截止，由電容C10向負載供電；此時，脈沖變壓器原邊回路中VD2亦截止，N1這時起存儲能量的作用。當(dāng)NMOS管截止后，初級線圈電流減小，磁場減弱，次級線圈回路中VD4導(dǎo)通，能量通過VD4及C10向負載釋放，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，把電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，送入UC3842作為比較電壓，控制激勵脈沖的占空比，達到穩(wěn)壓目的。二是變壓器T中的線圈N2間接采樣，起到電壓反饋作用，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。電路剛啟動時由輸入電壓經(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，起到反饋作用，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)輸入電壓升高時鋸齒波斜率增大，使輸出激勵脈沖占空比減小，從而使輸出電壓維持穩(wěn)定，反之亦然，實際上相當(dāng)于反饋控制。

　　總結(jié)

       UC3842是目前流行的電流型PWM信號發(fā)生器，具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡單、價格低廉等優(yōu)點，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。