基于UC3842的電源變換器設(shè)計(jì)

隨著多電飛機(jī)和全電飛機(jī)成為現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)展趨勢，同時(shí)由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)某型飛機(jī)對直流電源的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種直流電源變換器。該變換器主要是將飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電變換成直流電源，供飛機(jī)上某些直流負(fù)載使用。飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流、濾波后，輸入到DC/DC模塊，利用電流型脈寬調(diào)制器UC3842，完成穩(wěn)定直流輸出，同時(shí)結(jié)合UC3842的特點(diǎn)還設(shè)計(jì)了過流、過壓和欠壓等保護(hù)功能。

UC3842是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈沖寬度調(diào)制器。電流型控制即在脈寬比較器的輸入端直接感應(yīng)到的輸出電感電流與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，來控制輸出脈沖的占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，采用單端輸出方式，可直接驅(qū)動(dòng)雙極性晶體管和MOSFET管，具有引腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調(diào)試簡便、性能優(yōu)良以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有輸入和參考欠壓鎖定、逐相電流限制等保護(hù)特性。應(yīng)用中UC3842采用的是8腳雙列直插塑料封裝，其內(nèi)部主要由5.0V基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)整的振蕩器、衰減器、過流檢測比較器、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管的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖如圖1所示。

圖1 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖

如圖1中，芯片的1端為COMP端，該管腳為芯片內(nèi)部誤差放大器的輸出端，該腳外接RC網(wǎng)絡(luò)可用于環(huán)路補(bǔ)償，用以改善誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率特性；2腳為VFB，是電壓反饋腳，它是誤差放大器的反相輸入端，與芯片內(nèi)部2.5V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較作為誤差放大器的輸出；3腳是CURRENTSENSE，為電流測定端，用于取樣電流，當(dāng)外端串接的取樣電阻上的電壓大于1V時(shí)，UC3842將停止輸出觸發(fā)脈沖，使開關(guān)管截止，從而保護(hù)開關(guān)管不至于因過流而損壞，因此可以用于設(shè)計(jì)過流保護(hù)；4腳為RT/CT端，CT由8腳輸出的5V參考電壓通過RT充電，再由一個(gè)內(nèi)部電流放電，從而產(chǎn)生振蕩，振蕩器頻率f可由下式計(jì)算：f=1.8/（RT×CT）kHz，式中：RT的單位為kΩ，CT單位為μF；5腳為GROUND，為控制電路和電源的公共地；6腳為OUTPUT端，是推挽輸出端，該輸出端用來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的門極，控制開關(guān)管的關(guān)斷；7腳是VCC，提供芯片工作的電源，芯片可以工作在8~40V，另外UC3842還具有輸入電壓欠壓鎖定門限，分別為16V（通）和10V（斷）；8腳是VREF，為參考輸出端，向外提供基準(zhǔn)電壓5V，帶載能力為50mA，它通過定時(shí)電阻RT向定時(shí)電容提供充電電流。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中電源變換器可以劃分為三個(gè)部分，即輔助電源單元、PWM控制單元和DC/DC變換單元。輔助電源為一個(gè)由小功率DC/DC隔離變壓器和UC3842組成的單端反激式開關(guān)電源，它負(fù)責(zé)向PWM控制電路提供一個(gè)穩(wěn)定的15V直流工作電壓。PWM控制電路也由UC3842組成，通過反饋電源電流信號供PWM控制器進(jìn)行控制及過流保護(hù)，同時(shí)采樣輸出電壓，進(jìn)行分壓、比較，并將信號反饋給PWM控制器，使PWM控制器產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)通與關(guān)斷占空比變化的PWM信號來控制斬波開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，而使輸出電壓穩(wěn)定，同時(shí)可完成輸出電壓的欠壓和過壓保護(hù)功能。

輔助電源是一個(gè)由UC3842組成的單端反激式開關(guān)電源，電路如圖2所示。

圖2 輔助電源單元電路圖

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，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。如圖2，輸出15V的直流，作為后級控制芯片的正常工作電壓。同時(shí)反饋輸出電壓，利用TL431進(jìn)行過壓保護(hù)。TL431是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，通過兩個(gè)外部電阻可從Vref編程至36V。其典型應(yīng)用電路如圖3所示。在圖中，Vout=（1+R1/R2）&TImes;Vref。

圖3 TL431典型應(yīng)用電路

由于TL431的基準(zhǔn)電壓Vref為2.5V，根據(jù)圖3中R13、R14配置，可將其輸出基準(zhǔn)電壓編程至15V，這樣當(dāng)變壓器N3線圈輸出電壓大于15V時(shí)光耦U2導(dǎo)通，則變壓器N2線圈的輸出向UC3842的2腳提供反饋電壓，使2腳的電壓升高，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關(guān)管截止，從而減小輸出電壓。電路中R2、C2和D2構(gòu)成了吸收電路，用于消除變壓器漏感產(chǎn)生的反峰電壓，從而保護(hù)開關(guān)管不被燒毀。

PWM控制電路如圖4所示，該模塊主要完成向控制DC/DC變換的場效應(yīng)管提供PWM信號。當(dāng)剛啟動(dòng)時(shí)而前級電路輸出的電壓達(dá)到UC3842的開通門限電壓16V時(shí)，UC3842開始工作，通過6腳輸出控制PWM脈沖波驅(qū)動(dòng)MOSFET管的開通與關(guān)斷，電路的輸出端采用了圖騰柱式輸出，從而達(dá)到直流斬波的作用。為了得到穩(wěn)定的直流電源，與前級電路相似，采用了對輸出電壓進(jìn)行反饋采集，通過TL431實(shí)現(xiàn)對輸出電壓過壓的控制。配置電路中的R9、R10、R12，使基準(zhǔn)電壓編程至過壓點(diǎn)32V，當(dāng)輸出電壓大于32V時(shí)，光耦導(dǎo)通，這樣1腳的補(bǔ)償信號將接到反饋輸入的2腳，形成環(huán)路補(bǔ)償，這樣6腳輸出的脈沖高電平時(shí)間變短，減小斬波的占空比，從而減小輸出電壓。另外，電路還設(shè)計(jì)了輸入過流保護(hù)，這是利用UC3842的3腳完成的。電源電流經(jīng)電流互感器（CT）通過一定的變比成為取樣電流，經(jīng)過取樣電阻R3后輸入到3腳，當(dāng)取樣電阻上的電壓大于1V時(shí)，UC3842將停止輸出觸發(fā)脈沖，使開關(guān)管截止，從而保護(hù)開關(guān)管，這樣就達(dá)到了過流保護(hù)的功能。電路中，4腳的輸出端接了一個(gè)三極管，這是用來進(jìn)行斜率補(bǔ)償?shù)?，被緩存的振蕩器斜升可以與電壓反饋或電流取樣輸入阻性相加，以提供斜率補(bǔ)償。

圖4 PWM控制單元電路圖

在電源變換器的設(shè)計(jì)中，由UC3842組成的反激式開關(guān)電源是整個(gè)變換器的關(guān)鍵部分，核心部分為PWM控制單元。利用現(xiàn)有的飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電壓作為開關(guān)電源的輸入，得到PWM控制單元的直流工作電壓，同時(shí)利用UC3842良好的控制特性實(shí)現(xiàn)對場效應(yīng)管通斷的控制，另外結(jié)合其工作特性，設(shè)計(jì)了過流、過壓等保護(hù)電路，保證了電源變換器的正常工作。