電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842在開關(guān)電源中的應(yīng)用

引言
開關(guān)穩(wěn)壓電源被譽(yù)為“新型高效節(jié)能電源”，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。由于內(nèi)部器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此本身消耗的能量極低，電源效率可以達(dá)到80%以上，比串連調(diào)整線性穩(wěn)壓電源的效率提高近一倍。隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源正朝著小型化、高頻化、集成化的方向發(fā)展，高效率的開關(guān)穩(wěn)壓電源已得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文首先概述開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理，接著介紹電流型脈寬調(diào)制器UC3842芯片，著重論述了UC3842在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用，并以一個實際應(yīng)用實例分析了電源電路的構(gòu)成和參數(shù)計算。

開關(guān)電源的基本工作原理
相對于線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點，開關(guān)電源的效率可達(dá)90%以上，而且造價低、體積小。開關(guān)電源的工作原理如圖1所示，它由調(diào)整管、濾波電路、比較器、三角波發(fā)生器、比較放大器和基準(zhǔn)源等構(gòu)成。
在圖1中，三角波發(fā)生器的輸出波形加到比較器的反相端，其同相端接比較放大器的輸出Vf。當(dāng)三角波的幅度小于比較器的同相輸入時，比較器輸出高電平，對應(yīng)調(diào)整管導(dǎo)通的時間為ton。反之，當(dāng)三角波的幅度大于比較器的同相輸入時，對應(yīng)調(diào)整管的截至?xí)r間為toff。為了穩(wěn)定電壓輸出，按電壓負(fù)反饋方式引入反饋，以確定基準(zhǔn)源和比較放大器之間的聯(lián)系。假設(shè)輸出電壓增加，則FVo增加，比較放大器的輸出Vf減小，那么比較器的輸出波形中toff增加，從而使調(diào)整管的導(dǎo)通時間減小，輸出電壓下降，起到穩(wěn)壓的作用。如果忽略電感的直流電阻，那么輸出電壓Vo為調(diào)整管發(fā)射極電壓Ve的平均分量，于是有：

其中，q為占空比。在輸入電壓一定的時候，輸出電壓與占空比正比，通過改變比較器輸出波形的占空比就可以控制輸出電壓的幅值。

圖1 開關(guān)電源的工作原理

UC3842的工作原理
UC3842是美國Unitorde公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動雙極型的功率管或場效應(yīng)管。其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率高達(dá)500kHz，啟動電流小于1mA，正常工作電流為5mA，并可利用高頻變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路如圖2所示。

圖2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路

UC3842是8腳的雙列直插的封裝形式。如圖2所示，第1腳為補(bǔ)償腳，內(nèi)部誤差放大器的輸出端，外接阻容元件以確定誤差放大器的增益和頻響。第2腳是反饋腳，將采樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，控制脈沖的寬度。第3腳為電流傳感端，在功率管的源極串接一個小阻值的采樣電阻，構(gòu)成過流保護(hù)電路。當(dāng)電源電壓異常時，功率管的電流增大，當(dāng)采樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率管。第4腳為鋸齒振蕩器外部定時電阻R與定時電容C的公共端。第5腳為地。第6腳為圖騰柱式輸出電壓，當(dāng)上面的三極管截止的時候下面的三極管導(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，加速了功率管的關(guān)斷。第7腳為輸入電壓，開關(guān)電源啟動的時候需要在該引腳加一個不低于16V的電壓，芯片工作后，輸入電壓可以在10～30V之間波動，低于10V時停止工作。第8腳為內(nèi)部5.0V的基準(zhǔn)電壓輸出，電流可達(dá)50mA。

電路上電時，外接的啟動電路通過引腳7提供芯片需要的啟動電壓。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)6腳輸出驅(qū)動外接的開關(guān)功率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號反饋到3腳，維護(hù)系統(tǒng)的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，則2腳的取樣電壓也變高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，則開關(guān)功率管的導(dǎo)通時間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的RC網(wǎng)絡(luò)。所產(chǎn)生的鋸齒波送到脈沖寬度調(diào)制器，作為其工作周期，脈寬調(diào)制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。

實際應(yīng)用電路

圖3 開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)UC3842的特點，設(shè)計一個30～36V可調(diào)的開關(guān)型穩(wěn)壓電源，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
交流輸入后通過整流濾波得到直流電壓，經(jīng)過LM317后獲得16.5V的直流電壓，作為UC3842芯片的啟動電壓。芯片啟動后通過脈寬調(diào)制控制功率管的開關(guān)從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。控制電路的核心是UC3842，其后級的高速開關(guān)功率管要求滿足一定的耐壓值和足夠大的額定電流。這里可以選用IRF540，其耐壓值高達(dá)100V，額定電流可以達(dá)到33A。高頻變壓器的升壓系數(shù)為1.2，采用雙橋間距為0.3mm的鐵氧鐵芯，由直徑0.65mm的銅絲繞制而成。高頻變壓器出來的脈動直流電壓，先通過二極管整理，再通過3個50V/3300μF的電解電容，和由一個33μH電感和2個104的電容構(gòu)成∏型濾波器進(jìn)行濾波后輸出。其UC3842的核心電路如圖4所示。

圖4 UC3842的核心電路圖

如圖4所示，UC3842的工作頻率由4腳和8腳間的RT和CT決定的。理論上，其內(nèi)部的振蕩頻率最高可達(dá)500kHz。在本系統(tǒng)中RT和CT分別選用了10kΩ和0.045μF，根據(jù)公式：

可以計算得其工作頻率約為40kHz，符合開關(guān)電源的要求。在UC3842的2腳處接上一個10kΩ的電位器，通過調(diào)節(jié)電位器的阻值改變反饋電壓，使脈寬的占空比發(fā)生變化，從而可以實現(xiàn)輸出電壓30～36V的連續(xù)可調(diào)變化。

結(jié)語
利用電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3842為核心設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓電源，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、易實現(xiàn)，并且可以克服電壓型脈寬調(diào)制器開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率低和負(fù)載調(diào)整率低的缺點，具有廣闊的應(yīng)用前景。