UC3832/3改善線性穩(wěn)壓電源的性能

過電流保護(hù)方式的基本類型與存在的問題

常用的過電流保護(hù)方式主要有限流型、減流型和截止型三種。

限流型的特點(diǎn)是：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值時(shí)，穩(wěn)壓電源進(jìn)入恒流狀態(tài)將負(fù)載電流限制在限流值。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)并且可以實(shí)現(xiàn)全載啟動(dòng)。其最大缺點(diǎn)是在過電流保護(hù)狀態(tài)下，電源調(diào)整管將承受限流值電流與輸入電源電壓所產(chǎn)生的過分損耗。為確保電源調(diào)整管在過電流時(shí)不被損壞，需以過電流保護(hù)狀態(tài)下的功耗為選擇電源調(diào)整管和熱設(shè)計(jì)的依據(jù)，這將會(huì)使穩(wěn)壓電源的成本、體積和重量增加，可靠性降低。

截止型的特點(diǎn)是：當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到限流值時(shí)，過電流保護(hù)電路使穩(wěn)壓電源進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，并不再恢復(fù)，使穩(wěn)壓電源與負(fù)載得到有效的保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是此時(shí)電源調(diào)整管的功耗為零。其最大缺點(diǎn)是：沖擊性負(fù)載容易使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生誤動(dòng)作進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，而一旦進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，即使過電流狀態(tài)解除，也不能自動(dòng)復(fù)位。

減流型的特點(diǎn)是：穩(wěn)壓電源進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)后，輸出電流隨輸出電壓而減小，可使電源調(diào)整管的損耗即使在過流保護(hù)時(shí)也不至于過大，其典型應(yīng)用如三端集成穩(wěn)壓器。這種過電流保護(hù)方式盡管在諸多場(chǎng)合下很適用，但在全載恒流特性和大多數(shù)模擬和數(shù)字電路的電源特性下可能會(huì)產(chǎn)生latch up效應(yīng)，即輸出電壓被鎖定在低于正常穩(wěn)壓值的低電壓上不能正常啟動(dòng)。為確保沖擊性負(fù)載或全載恒流啟動(dòng)，必須在過流保護(hù)點(diǎn)和正常最大工作電流之間設(shè)置較大的裕量，容易使過電流的負(fù)載因沒有得到電源的保護(hù)而燒壞。

組合型過電流保護(hù)方式

線性穩(wěn)壓電源的最佳保護(hù)方式應(yīng)該既具有像限流型保護(hù)那樣的啟動(dòng)和自動(dòng)復(fù)位特性，又具有像截止型過電流保護(hù)那樣在過流保護(hù)后電源調(diào)整管的低功率損耗，為此，提出組合型過電流保護(hù)方式。

線性穩(wěn)壓電源對(duì)組合型過電流保護(hù)的基本要求是：在電源上電時(shí)，以限流保護(hù)方式啟動(dòng)，以確保在沖擊性負(fù)載時(shí)能順利啟動(dòng);穩(wěn)壓電源正常工作后，如出現(xiàn)過電流，則保護(hù)電路首先進(jìn)入限流保護(hù)狀態(tài)，以消除瞬時(shí)沖擊電流的影響;若在限定時(shí)間內(nèi)仍處于過電流狀態(tài)，則保護(hù)電路認(rèn)定為故障過流，并進(jìn)入截止型保護(hù)狀態(tài);一定時(shí)間后(如限流保護(hù)限時(shí)的20~30倍的時(shí)間)重新恢復(fù)限流保護(hù)狀態(tài)，如此時(shí)負(fù)載恢復(fù)正常，則穩(wěn)壓電源應(yīng)能正常啟動(dòng)，如過電流故障依舊，保護(hù)電路則再一次進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，如圖1所示。在這種過電流保護(hù)狀態(tài)下，電源調(diào)整管的損耗為限流型的1/20~1/30。過流保護(hù)電路會(huì)定時(shí)檢測(cè)負(fù)載過電流是否解除，一旦檢測(cè)到負(fù)載電流小于限流保護(hù)值，即恢復(fù)正常的輸出電壓。

組合型過電流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓電源組合型過電流保護(hù)的最簡單方法就是利用專用集成電路UC3832/3。

UC3832/3電路原理

除具備線性穩(wěn)壓電路控制IC內(nèi)部電源的基準(zhǔn)、誤差放大器和驅(qū)動(dòng)級(jí)所必須的功能單元外，最主要的是UC3832/3具有開關(guān)型過電流保護(hù)功能，其原理框圖及輔助電路如圖2和圖3所示，在此僅介紹過電流保護(hù)原理。

限流放大器(CSAMP)設(shè)置為130mV偏置電壓，當(dāng)輸入端電壓在130mV以下時(shí)，限流放大器不工作，穩(wěn)壓電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載過電流或短路時(shí)，通過限流放大器的驅(qū)動(dòng)器、外接電源調(diào)整管及電流檢測(cè)電阻Rs的閉環(huán)控制，使限流放大器的輸入端+Vin與C/S(-)之間的電壓限制在130mV，即限流電源調(diào)整管輸入電流(近似為輸出電流)是：

限流比較器(CSCOMP)設(shè)置為100mV偏置電壓，與限流放大器共用輸入端。由于限流比較器的偏置電壓低30mV，確保了限流比較器先于限流放大器動(dòng)作，以確保開關(guān)型過電流保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。一旦限流比較器輸入端的電壓差大于100mV，即出現(xiàn)過電流時(shí)，限流比較器輸出由高電位變?yōu)榈碗娢弧６〞r(shí)器開始工作，穩(wěn)壓電源進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)過電流解除后，限流比較器輸入端的電壓差小于100mV，限流比較器輸出高電位將定時(shí)器封鎖。這時(shí)穩(wěn)壓電源工作在正常穩(wěn)壓狀態(tài)。

當(dāng)受限流比較器控制的定時(shí)器工作后，其內(nèi)部恒流源向TRC端電容器充電。在定時(shí)電容CT的充電電壓低于1.8V時(shí)，定時(shí)器輸出低電位，穩(wěn)壓電源工作在限流狀態(tài);當(dāng)CT的充電電壓達(dá)到1.8V時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部的恒流源關(guān)斷，CT通過與其并聯(lián)的電阻RT放電，定時(shí)器輸出高電位驅(qū)動(dòng)T1導(dǎo)通，使電路的輸出級(jí)截止，將電源調(diào)整管關(guān)斷，穩(wěn)壓電源工作在截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)放電電壓達(dá)到0.9V時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部恒流源重新對(duì)CT充電并輸出低電位使T1關(guān)斷，穩(wěn)壓電源重新工作在限流工作狀態(tài)。如負(fù)載持續(xù)過電流或短路，穩(wěn)壓電源的這種限流狀態(tài)將周而復(fù)始地循環(huán)，當(dāng)負(fù)載過電流解除后，穩(wěn)壓電源將從限流狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。UC3832 與UC3833不同的是UC3832的限流放大器的偏置電壓可外置從130~300mV，啟動(dòng)能力強(qiáng)。UC3833適于驅(qū)動(dòng)PNP晶體管、P溝道FET，UC3832適于驅(qū)動(dòng)NPN晶體管、N溝道FET。

大電流低輸入/輸出壓差的實(shí)現(xiàn)

盡可能減小電源調(diào)整管的最小輸入/輸出壓差對(duì)提高電源效率和盡可能降低最小輸入電壓有著重要意義，低壓差(通常定義為：Vinmin-Vout≤1V)意味著穩(wěn)壓電源性能的提高。在UC3832/3中，其最小輸入/輸出壓差為電源調(diào)整管的飽和壓降Vsat，或是導(dǎo)通電阻Rds(on)與流過的電流Io的乘積。雙極型晶體管可以低于1V(但高于0.5V)，而功率FET則很容易實(shí)現(xiàn)0.3V以下的極低輸入/輸出壓差，如30~40V輸入電壓、10A的輸出電流可選用IRF3205(55V、0.08W) 。

UC3832/3的實(shí)際應(yīng)用

下面將給出圖2和圖3中主要元件(電源調(diào)整管、輸出電容器、定時(shí)電容器、定時(shí)電阻)的參數(shù)選擇。

電源調(diào)整管額定參數(shù)

電源調(diào)整管的額定電壓為最高輸入電壓，額定電流不應(yīng)高于集電極/漏極的額定電流或使用電流，集電極/漏極耗散功率應(yīng)大于最高輸入電壓與輸出限流值Iolim的乘積。

輸出電容器的選擇

輸出電容器的電容量過小可能會(huì)導(dǎo)致輸出紋波過大，而電容量過大則會(huì)出現(xiàn)最重恒流負(fù)載時(shí)不能啟動(dòng)，因此輸出電容器Cmax最大容量為：

定時(shí)電容器的選擇

定時(shí)電容器Ct決定啟動(dòng)和限流工作狀態(tài)的時(shí)間，Ct與導(dǎo)通時(shí)間Ton的關(guān)系為：

其中Ton和Ct單位分別為s和F。

導(dǎo)通時(shí)間Ton由輸出電壓和沖擊性負(fù)載的持續(xù)時(shí)間決定，由輸出電壓決定的導(dǎo)通時(shí)間為：

定時(shí)電阻的選擇

定時(shí)電阻決定過流/短路保護(hù)中的截止型保護(hù)的持續(xù)時(shí)間。

電源調(diào)整管在短路狀態(tài)下的損耗為：

結(jié)語

采用UC3832/3很容易實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓電源的組合型過電流保護(hù)，在性能上優(yōu)于現(xiàn)有的任何一種過電流電路，能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的極低輸入/輸出壓差穩(wěn)壓。