基于UC3842的開關(guān)電源保護(hù)電路的改進(jìn)

0 引言
UC3842是美國(guó)Unltmde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，它具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著UC3842開關(guān)頻率的提高，由它所構(gòu)成的開關(guān)電源的保護(hù)電路也出現(xiàn)了很多問(wèn)題。本文分析了UC3842保護(hù)電路的缺陷及改進(jìn)的方法。

1 UC3842的典型應(yīng)用
UC3842的典型應(yīng)用電路如圖l所示。該電路主要由橋式整流電路，高頻變壓器，MOS功率管以及電流型脈寬調(diào)制芯片UC3842構(gòu)成。其工作原理為：220V的交流電經(jīng)過(guò)橋式整流濾波電路后，得到大約+300V的直流高壓，這一直流電壓被M0S功率管斬波并通過(guò)高頻變壓器降壓，變成頻率為幾十kHz的矩形波電壓，再經(jīng)過(guò)輸出整流濾波，就得到了穩(wěn)定的直流輸出電壓。其中高頻變壓器的
自饋線圈N2中感應(yīng)的電壓，經(jīng)D2整流后所得到的直流電壓被反饋到UC3842內(nèi)部的誤差放大器并和基準(zhǔn)電壓比較得到誤差電壓Vr，同時(shí)在取樣電阻R11上建立的直流電壓也被反饋到UC3842電流測(cè)定比較器的同柑輸入端，這個(gè)檢測(cè)電壓和誤差電壓Vt相比較，產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用來(lái)控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，以決定高頻變壓器的通斷狀態(tài)，從而達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的。圖l中，R5用來(lái)限制C8產(chǎn)生的充電峰值電流?？紤]到Vi及Vref上的噪聲電壓也會(huì)影響輸出的脈沖寬度，因此，在UC3842的腳7和腳8上分別接有消噪電容C4和C2。R7是MOS功率管的柵極限流電阻。另外，在UC3842的輸入端與地之間，還有34V的穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，該穩(wěn)壓管就被反向擊穿，將Vi鉗位于34V，保護(hù)芯片不致?lián)p壞。

2 UC3842保護(hù)電路的缺陷
2.l 過(guò)載保護(hù)的缺陷
當(dāng)電源過(guò)載或輸出短路時(shí)，UC3842的保護(hù)電路動(dòng)作，使輸出脈沖的占空比減小，輸出電壓降低，UC3842的供電電壓也跟著降低，當(dāng)?shù)偷経C3842不能工作時(shí)，整個(gè)電路關(guān)閉，然后通過(guò)R6扦始下一次啟動(dòng)過(guò)程。這種保護(hù)被稱為“打嗝”式(hiccup)保護(hù)。在這種保護(hù)狀態(tài)下，電源只工作幾個(gè)開關(guān)周期，然后進(jìn)入很長(zhǎng)時(shí)間(幾百ms到幾s)的啟動(dòng)過(guò)程，因此，它的平均功率很低。但是，由于變壓器存在漏感等原因，有的開關(guān)電源在每個(gè)開關(guān)周期都有很高的開關(guān)尖峰電壓，即使在占空比很小的情況下，輔助供電電壓也不能降到足夠低，所以不能實(shí)現(xiàn)理想的保護(hù)功能。
2.2過(guò)流保護(hù)的缺陷
UC3842的過(guò)流保護(hù)功能是通過(guò)腳3實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)腳3上檢測(cè)的電壓高于lV時(shí)，就會(huì)使UC3842內(nèi)部的比較器翻轉(zhuǎn)，將PWM鎖存器置
零，使脈沖調(diào)制器處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了電路的過(guò)流保護(hù)。由于檢測(cè)電阻能感應(yīng)出峰值電感電流，所以自然形成逐個(gè)脈沖限流電路，只要檢測(cè)電阻上的電平達(dá)到lV，脈寬調(diào)制器立即關(guān)閉，因此這種峰值電感電流檢測(cè)技術(shù)可以精確限制輸出的最大電流，使得開關(guān)電源中的磁性元件和功率器件不必設(shè)計(jì)較大的余量，就能保證穩(wěn)壓電源的工作可靠。但是，通常我們采用的采樣電阻都是金屬膜或氧化膜電阻，這種電阻是有感的，當(dāng)電流流過(guò)取樣電阻時(shí)，就會(huì)感生一定的感性電壓。這個(gè)電感分量在高頻時(shí)呈現(xiàn)的
阻抗會(huì)很大，因此它將消耗很大的功率。隨著頻率的增加，流過(guò)取樣電阻的電流有可能在下一個(gè)振蕩周期到來(lái)之前還沒(méi)放完，取樣電阻承受的電流將越來(lái)越大，這樣將會(huì)引起UC3842的誤操作，甚至?xí)鹫C(jī)。因此，UC3842的這種過(guò)流保護(hù)功能有時(shí)難以起到很好的保護(hù)作用，存在著一定的缺陷。
2.3電路穩(wěn)定性的缺陷
在圖l所示的電路中，當(dāng)電源的占空比大于50％，或變壓器工作在連續(xù)電流條件下時(shí)，整個(gè)電路就會(huì)產(chǎn)生分諧波振蕩，引起電源輸出的不穩(wěn)定。圖2表示了變壓器中電感電流的變化過(guò)程。沒(méi)在t0時(shí)刻，開關(guān)開始導(dǎo)通，使電感電流以斜率m1上升，該斜率是輸入電壓除以電感的函數(shù)。t1時(shí)刻，電流取樣輸入達(dá)到由控制電壓建立的門限，這導(dǎo)致開關(guān)斷開，電流以斜率m2衰減，直至下一個(gè)
振蕩周期。如果此時(shí)有一個(gè)擾動(dòng)加到控制電壓上，那么它將產(chǎn)生一個(gè)△I，這樣我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)電路存在著不穩(wěn)定的情況，即在一個(gè)固定的振蕩器周期內(nèi)，電流衰減時(shí)閘減少，最小電流開關(guān)接通時(shí)刻t2上升了△I+△Im2/m1，最小電流在下一個(gè)周期t3減小到(△I+△Im2/m4)(m2/m1)，在每一個(gè)后續(xù)周期，該擾動(dòng)m2／m1被相乘，在開關(guān)接通時(shí)交替增加和減小電感電流，也許需要幾個(gè)振蕩器周期才能使電感電流為零，使過(guò)程重新開始，如果m2／m1大于l，變換器將會(huì)不穩(wěn)定。因此，圖l所示的電路在某狀態(tài)下存在著一定的失穩(wěn)隱患。

3 保護(hù)電路的改進(jìn)
針對(duì)上述分析，改進(jìn)電路如圖3所示，該電路具有以下特點(diǎn)。
1)通過(guò)在UC3842的采樣電壓處接入一個(gè)射極跟隨器，從而在控制電壓上增加了一個(gè)與脈寬調(diào)制時(shí)鐘同步的人為斜坡，它可以在后續(xù)的周期內(nèi)將△I擾動(dòng)減小到零。因此，即使系統(tǒng)工作在占空比大于50％或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。不過(guò)該補(bǔ)償斜坡的斜率必須等于或略大于m2／2，系統(tǒng)才能具有真正的穩(wěn)定性。
2）取樣電阻改用無(wú)感電阻。無(wú)感電阻是一種雙線并繞的繞線電阻，其精度高且容易做到大功率。采用無(wú)感電阻后，其阻抗不會(huì)隨著頻率的增加而增加。這樣，即使在高頻情況下取樣電阻所消耗的功率也不會(huì)超過(guò)它的標(biāo)稱功率，因此也就不會(huì)出現(xiàn)炸機(jī)現(xiàn)象。
3)反饋電路改用TL43l加光耦來(lái)控制。我們都知道放大器用作信號(hào)傳輸時(shí)都需要傳輸時(shí)間，并不是輸出與輸入同時(shí)建立。如果把反饋信號(hào)接到UC3842的電壓反饋端，則反饋信號(hào)需連續(xù)通過(guò)兩個(gè)高增益誤差放大器，傳輸時(shí)間增長(zhǎng)。由于TL431本身就是一個(gè)高增益的誤差放大器，因此，在圖3中直接采用腳1做反饋，從UC3842的腳8(基準(zhǔn)電壓腳)拉了一個(gè)電阻到腳l，腳2通過(guò)R18接地。這樣做的好處是，跳過(guò)了UC3842的內(nèi)部放大器，從而把反饋信號(hào)的傳輸時(shí)間縮短了一半，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變快。另外，直接控制UC3842的腳l還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償以及輸出功率小等問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4給出了UC3842檢測(cè)電阻的電壓波形和采樣信號(hào)波形。從圖4中可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的電路，其采樣信號(hào)的波形緊緊跟隨檢測(cè)電阻的電壓波形，沒(méi)有出現(xiàn)非常大的尖峰電壓。因此，該電路能有效避免因變壓器漏感等異常干擾引起的電源誤操作的問(wèn)題，也能有效避免因電源占空比過(guò)大而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)
UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器，但在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，它的保護(hù)電路存在著一定的缺陷，因此，在電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須對(duì)其保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的保護(hù)電路使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定可靠。