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電流測定比較器的同柑輸入端，這個(gè)檢測電壓和誤差電壓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用來限制C8產(chǎn)生的充電峰值電流。考慮到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 過載保護(hù)的缺陷
當(dāng)電源過載或輸出短路時(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R6扦始下一次啟動(dòng)過程。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)入很長時(shí)間(幾百ms到幾s)的啟動(dòng)過程，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過流保護(hù)的缺陷
UC3842的過流保護(hù)功能是通過腳3實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)腳3上檢測的電壓高于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)了電路的過流保護(hù)。由于檢測電阻能感應(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，流過取樣電阻的電流有可能在下一個(gè)振蕩周期到來之前還沒放完，取樣電阻承受的電流將越來越大，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程。沒在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）取樣電阻改用無感電阻。無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)通過兩個(gè)高增益誤差放大器，傳輸時(shí)間增長。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R18接地。這樣做的好處是，跳過了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還可簡化系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償以及輸出功率小等問題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4給出了UC3842檢測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)過改進(jìn)后的電路，其采樣信號(hào)的波形緊緊跟隨檢測電阻的電壓波形，沒有出現(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題，也能有效避免因電源占空比過大而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。

5 結(jié)語
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)過程中，必須對其保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過改進(jìn)后的保護(hù)電路使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定可靠。