基于電流型PWM集成控制器UC3842/3843的隔離單端反激式開關(guān)電源

引言

開關(guān)電源以其高效率、小體積等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的開關(guān)電源普遍采用電壓型脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)，而近年電流型pwm技術(shù)得到了飛速發(fā)展。相比電壓型pwm，電流型pwm具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性也得以明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力使控制電路變得簡單可靠。

電流型pwm集成控制器已經(jīng)產(chǎn)品化，極大推動了小功率開關(guān)電源的發(fā)展和應(yīng)用，電流型pwm控制小功率電源已經(jīng)取代電壓型pwm控制小功率電源。unitrode公司推出的uc3842系列控制芯片是電流型pwm控制器的典型代表。

dc/dc轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源中最重要的組成部分之一，其有5種基本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點(diǎn)分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電路工作過程如下：當(dāng)m1導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管vd處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管vd截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng)m1截止時(shí)，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使vd導(dǎo)通，給輸出電容c充電，同時(shí)負(fù)載r上也有電流i流過。m1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D2所示。

電流型pwm

與電壓型pwm比較，電流型pwm控制在保留了輸出電壓反饋控制外，又增加了一個(gè)電感電流反饋環(huán)節(jié)，并以此電流反饋?zhàn)鳛閜wm所必須的斜坡函數(shù)。

下面分析理想空載下電流型pwm電路的工作情況(不考慮互感)。電路如圖3所示。設(shè)v導(dǎo)通，則有

l·dil/dt = ui (1)

il以斜率ui/l線性增長，l為t1原邊電感。經(jīng)無感電阻r1采樣ud=r1?il送到脈寬比較器a2與ue比較，當(dāng)ud>ue，a2輸出高電平，送到rs鎖存器的復(fù)位端，此時(shí)或非門的兩個(gè)輸入中必有一個(gè)高電平，經(jīng)過或非門輸出低電平關(guān)斷功率開關(guān)管v。當(dāng)時(shí)鐘輸出為高電平時(shí)，或非門輸出始終為低電平，封鎖pwm，這段時(shí)間由時(shí)鐘振蕩器osc輸出脈沖寬度決定，即pwm信號的死區(qū)時(shí)間。在振蕩器輸出脈沖下降同時(shí)，或非門兩輸入均為低電平，經(jīng)或非門輸出為高電平，v導(dǎo)通。

簡言之，pwm信號的上升沿由振蕩器下降沿決定，而pwm的下降沿由電感電流限值信號和誤差信號ue共同決定，最大脈寬的下降沿受振蕩器上升沿控制。圖4為其工作時(shí)序圖。

uc3842簡介

unitrode公司的uc3842是一種高性能固定頻率電流型控制器，包含誤差放大器、pwm比較器、pwm鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電源和欠壓鎖定等單元，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

各管腳功能簡介如下。

1腳comp是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。

2腳feed back是反饋電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓(一般為+2.5v)進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。

3腳isense是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關(guān)管(如vmos管)的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過1v時(shí)，uc3842就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。

4腳rt/ct是定時(shí)端。鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容c和定時(shí)電阻r的公共端。

5腳gnd是接地。

6腳out是輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅(qū)動能力是±la。這種圖騰柱結(jié)構(gòu)對被驅(qū)動的功率管的關(guān)斷有利，因?yàn)楫?dāng)三極管vtl截止時(shí)，vt2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時(shí)提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關(guān)斷。

7腳vcc是電源。當(dāng)供電電壓低于 ＋16v時(shí)，uc3824不工作，此時(shí)耗電在1ma以下。輸入電壓可以通過一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在+10～+30v之間波動，低于+10v停止工作。工作時(shí)耗電約為15ma，此電流可通過反饋電阻提供。

8腳vref是基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出精確的+5v基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50ma。

uv3842的電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率為500khz，啟動電流小于1ma，輸入電壓為10～30v，基準(zhǔn)電壓為4.9～5.1v，工作溫度為0～70℃，輸出電流為1a。

開關(guān)穩(wěn)壓電源

由uc3842構(gòu)成的開關(guān)電源電路如圖6所示，t為高頻變壓器。剛開機(jī)時(shí)，220v交流電先通過pnf濾掉射頻干擾，再經(jīng)過整流濾波獲得約+300v直流電壓，然后經(jīng)r2降壓后向uc3842提供+16v啟動電壓。r1是限流電阻，c1為濾波電容。正常工作后，自饋線圈n2上的高頻電壓經(jīng)過vd1、c1整流濾波，就作為uc3842的正常工作電壓。r5、c4用以改善內(nèi)部誤差放大器的頻率響應(yīng)，r1是斜坡補(bǔ)償電阻。開關(guān)頻率 。c5為消噪電容，r10是過流檢測電阻，r7是vmos開關(guān)功率管的柵極限流電阻。由c8、vd1、r11、vd2、c9構(gòu)成兩級吸收回路，用于吸收尖峰電壓。vd1和vd3選用恢復(fù)二極管fr305。vd4為輸出級的整流管，采用肖特基二極管，以滿足高頻、大電流整流之需要。

當(dāng)nmos管導(dǎo)通時(shí)，初級線圈n1電流線性增大，磁場增強(qiáng)，次級線圈中vd4截止，由電容c10向負(fù)載供電；此時(shí)，脈沖變壓器原邊回路中vd2亦截止，n1這時(shí)起存儲能量的作用。當(dāng)nmos管截止后，初級線圈電流減小，磁場減弱，次級線圈回路中vd4導(dǎo)通，能量通過vd4及c10向負(fù)載釋放，輸出直流電壓，部分能量由vd2向電阻r12和電容c9釋放。

為保證開關(guān)電源輸出直流電壓不受干擾，電路中提供了穩(wěn)壓電路。一是采用nmos管源極串接電阻r9，把電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，送入uc3842作為比較電壓，控制激勵(lì)脈沖的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。二是變壓器t中的線圈n2間接采樣，起到電壓反饋?zhàn)饔?，n2間接采樣后，經(jīng)過vd1和c3整流，在c3上取樣，該電壓一方面經(jīng)過r3和r4分壓送到uc3842的2管腳加到誤差放大器a3的反相輸入端，另一方面直接送到uc3842的7管腳，作為芯片供電電壓。電路剛啟動時(shí)由輸入電壓經(jīng)整流濾波降壓給芯片供電，工作后由反饋電壓供電，因而uc3842的電源電壓反映了輸出電壓的變化，起到反饋?zhàn)饔?，使輸出電壓穩(wěn)定。三是在uc3842中，鋸齒波發(fā)生器輸出鋸齒波的斜率還與輸入電壓有關(guān)，當(dāng)輸入電壓升高時(shí)鋸齒波斜率增大，使輸出激勵(lì)脈沖占空比減小，從而使輸出電壓維持穩(wěn)定，反之亦然，實(shí)際上相當(dāng)于反饋控制。
　
總結(jié)

uc3842是目前流行的電流型pwm信號發(fā)生器，具有精度高、電壓穩(wěn)定、外圍電路簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在輸出電壓范圍是4.9～5.1v、功率為20～60w的小型功率開關(guān)電源中。