電流型PWM控制器UC3844及其在微機(jī)電源中的應(yīng)用

針對電壓型脈寬調(diào)制器(PWM) 控制器只有電壓控制環(huán)、電流變化滯后電壓變化、系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差等固有缺點(diǎn),介紹了既有電壓控制環(huán)、又有電流控制環(huán)的新型電流型PWM 控制器。分析了電流型PWM 控制器與電壓型PWM 控制器的控制原理,比較了二者之間的優(yōu)缺點(diǎn);介紹了電流型PWM 控制器UC3844 的工作原理,并應(yīng)用電流型PWM 控制器UC3844 設(shè)計(jì)了微機(jī)電源,指出了設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。結(jié)果表明,由電流型PWM 控制器構(gòu)成的微機(jī)電源具有良好的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

UC3844 是美國UNITRODE 公司生產(chǎn)的高性能電流型脈寬調(diào)制器(PWM) 控制器。早期的PWM 控制器是電壓控制型的,常用的電壓型PWM 控制器有TL494 、TL495 、SG3524 、SG3525 等。電壓型PWM 是指控制器按反饋電壓來調(diào)節(jié)輸出脈寬,電流型PWM 是指控制器按反饋電流來調(diào)節(jié)輸出脈寬。電流型PWM 是在脈寬比較器的輸入端,直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較,從而調(diào)節(jié)占空比,使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng),因此,無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率

和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高,是目前比較理想的新型PWM 控制器。

1 電流型PWM 控制與電壓型PWM 控制原理及性能比較

1. 1 電壓型PWM控制

電壓型PWM 控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。電源輸出反饋電壓Uf與基準(zhǔn)電壓Ug 比較放大得到誤差電壓Ue,該誤差電壓再與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號進(jìn)行比較,產(chǎn)生占空比變化的矩形波驅(qū)動信號。這種結(jié)構(gòu)屬于典型的單閉環(huán)系統(tǒng),缺點(diǎn)是控制過程中主電路的電流沒有參入輸出控制。由于電感的作用,電流滯后于電壓的變化,因而系統(tǒng)響應(yīng)速度慢,穩(wěn)定性差。

圖1 電壓型PWM控制系統(tǒng)框圖

1. 2 電流型PWM控制

電流型PWM 正是針對電壓PWM 型的缺點(diǎn)發(fā)展起來的。它在原有的電壓環(huán)上增加了電流反饋環(huán)節(jié),構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制。內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán),外環(huán)為電壓控制環(huán)。無論電流的變化,還是電壓的變化,都會使PWM 輸出脈沖占空比發(fā)生變化。這種控制方式可改善系統(tǒng)的電壓調(diào)整率,提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 電流型PWM控制系統(tǒng)框圖

1. 3 電流型PWM控制的優(yōu)點(diǎn)

電壓調(diào)整率好。輸入電壓的變化立即引起電感電流的變化,電感電流的變化立即反映到電流控制回路而被抑制。不像電壓控制要經(jīng)過輸出電壓反饋到誤差放大器,然后再調(diào)節(jié)的復(fù)雜過程,所以響應(yīng)快。如果輸入電壓的變化是持續(xù)的,電壓反饋環(huán)也起作用,因而可以達(dá)到較高的線形調(diào)整率。 負(fù)載調(diào)整率好。由于電壓誤差放大器可專門用于控制占空比,以適應(yīng)負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化,因而可大大改善負(fù)載調(diào)整率。 系統(tǒng)穩(wěn)定性好。從控制理論的角度講,電壓控制單閉環(huán)系統(tǒng)是一個無條件的二階穩(wěn)定系統(tǒng)。而電流控制雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個無條件的一階穩(wěn)定系統(tǒng),系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

2 電流型PWM 控制芯片UC3844 的基本原理

UC3844 是電流型單端輸出式PWM ,其最大占空比為50% ,啟動電壓16V ,具有過壓保護(hù)和欠壓鎖定功能。當(dāng)工作電壓大于34V 時,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓,使內(nèi)部電路在小于34 電壓下可靠工作;當(dāng)輸入電壓低于10V 時,芯片被鎖定,控制器停止工作 。其內(nèi)部框圖和引腳圖如圖3 所示。

圖3 UC3844 內(nèi)部框圖及引腳圖

UC3844 的工作原理是:反饋電壓和2.5 V 基準(zhǔn)電壓之差,經(jīng)誤差放大器E/A 放大后作為門限電壓,與反饋電流經(jīng)采樣后的電壓,一起送到電流感應(yīng)比較器。當(dāng)電流取樣電壓超過門限電壓后,比較器輸出高電平觸發(fā)RS 觸發(fā)器,然后經(jīng)或非門輸出低電平,關(guān)斷功率管,并保持這種狀態(tài)直至振蕩器輸出脈沖到觸發(fā)器和或非門為止。這段時間的長短由振蕩器輸出脈沖寬度決定。PWM 信號的上升沿由振蕩器決定,下降沿由功率開關(guān)管電流和輸出電壓共同決定。反轉(zhuǎn)觸發(fā)器限制PWM 的占空比調(diào)節(jié)范圍在0～50 %之內(nèi)。

UC3844 的振蕩工作頻率由引腳4 與引腳8 之間所接定時電阻RT、腳4 與地之間所接定時電容CT 設(shè)定。計(jì)算公式為: f = 1/T = RTCT/0.55 = 1.72RTCT。

引腳2 是電壓反饋端,將取樣電壓加至E/A 誤差放大器的反相輸入端,與同向輸入端的2.5 V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差電壓。利用內(nèi)部E/A 誤差放大器可以構(gòu)成電壓環(huán)。引腳3 是電流反饋端,電流取樣電壓由引腳3 輸入到電流比較器。當(dāng)引腳3 電壓大于1V 時,輸出關(guān)閉。利用引腳3 和電流比較器可以構(gòu)成電流環(huán)。引腳1 是補(bǔ)償端,外接阻容元件以補(bǔ)償誤差放大器的頻率特性。引腳8 為5V 基準(zhǔn)電壓,帶載能力50mA。引腳6 為推挽輸出端,有拉、灌電流的能力。引腳5 為公共端。引腳7 為集成塊工作電源端,電壓范圍為8V～40V。[!--empirenews.page--]

UC3844 的輸出級為圖騰柱式電路,與SG3525 的一端完全相同。輸出平均電流值為±200mA ,最大峰值電流±1A ,可直接驅(qū)動功率管。由于峰值電流自限,可以不要串入限流電阻。

對于電流型控制芯片UC3844 ,使輸出驅(qū)動信號關(guān)斷的方法有兩種:一種是將引腳1 電壓降至1V 以下,另一種是將引腳3 電壓升至1V 以上。這兩種方法都是使電流比較器輸出高電平,PWM 鎖存器復(fù)位,關(guān)閉輸出端,直至下一個時鐘將PWM 鎖存器置位為止。根據(jù)這一原理,可以控制引腳1 、3 電壓的變化,實(shí)現(xiàn)各種必要的保護(hù)。

3 UC3844 在微機(jī)電源中的應(yīng)用

UC3844 的外圍電路簡單,所用元件少,并且性能優(yōu)越,成本低。該芯片的最大占空比為50 % ,通常用于單端他激式變換器中。圖4 所示為由UC3844 構(gòu)成的微機(jī)電源主電路。

電路主拓?fù)洳捎脝味朔醇な诫娐?由UC3844 構(gòu)成主控芯片。單端反激式電路具有結(jié)構(gòu)簡單、適宜多組輸出、可靠性高等特點(diǎn)。使用電流型控制模式將進(jìn)一步強(qiáng)化這些優(yōu)點(diǎn)。

在反激變換器中,開關(guān)管所受應(yīng)力較高,這主要是開關(guān)關(guān)斷時漏電感引起開關(guān)管集電極電壓突然升高所致。抑制開關(guān)應(yīng)力有兩個方法:一種是減小漏電感;另一種是耗散過壓的能量,或者使能量反饋回電源中。本文采用了第二種方法,在變壓器原邊并聯(lián)RCD 緩沖器。耗散過電壓的能量依靠并聯(lián)的RC 電路,能量反饋回電源依靠定向二極管D1 。

變壓器的設(shè)計(jì)是整個電路的關(guān)鍵之一。在設(shè)計(jì)變壓器時,原邊電感量不能太大,并且磁心中要增加氣隙,否則會出現(xiàn)電流上升率小、導(dǎo)通時間短、電流上升值不大,導(dǎo)致電路沒有能力傳遞所需功率。同時,在設(shè)計(jì)變壓器時必須認(rèn)真考慮變壓器的磁飽和瞬時效應(yīng)。在瞬變負(fù)載情況下,當(dāng)輸入電壓較高而負(fù)載電流較小時,如果負(fù)載電流突然增加,則控制電路會立即加寬輸出脈沖寬度來提供補(bǔ)充功率。這樣,輸入電壓和脈沖寬度同時變?yōu)樽畲?即使只是一個短暫的時間,但變壓器也會出現(xiàn)飽和,引起失控和故障。這就要求變壓器設(shè)計(jì)時應(yīng)按高輸入電壓、寬脈沖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖中R1 、C4 構(gòu)成啟動電路,當(dāng)C4 上的電壓超過15V 時電路啟動,然后由N4 、D1 、D2 、C2 、C4 、C5 、R6構(gòu)成自饋電路供電。該電壓同時也是電壓閉環(huán)的信號電壓。R10 為電流取樣電阻,流經(jīng)該電阻的電流產(chǎn)生的電壓經(jīng)濾波后送入引腳3 ,構(gòu)成電流控制閉環(huán)。與引腳4 、引腳8 相連的R5 、C8 是UC3844 的外部定時電阻和定時電容。引腳6 經(jīng)限流電阻直接驅(qū)動功率管。引腳5 為輸入公共端。輸出與輸入相隔離,避免共地干擾。高頻變壓器和功率開關(guān)管都接有RCD 緩沖器,用于吸收尖峰電壓,防止功率開關(guān)管的損傷。