一種開關電源保護電路的改進

　　引言

　　UC3842是美國Unltmde公司生產的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制芯片，它具有管腳數(shù)量少，外圍電路簡單等特點，因而得到了廣泛的應用。但隨著UC3842開關頻率的提高，由它所構成的開關電源的保護電路也出現(xiàn)了很多問題。本文分析了UC3842保護電路的缺陷及改進的方法。

　　1 UC3842的典型應用

　　UC3842的典型應用電路如圖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制芯片UC3842構成。其工作原理為：220V的交流電經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中感應的電壓，經D2整流后所得到的直流電壓被反饋到UC3842內部的誤差放大器并和基準電壓比較得到誤差電壓Vr，同時在取樣電阻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，這個檢測電壓和誤差電壓

　　Vt相比較，產生脈沖寬度可調的驅動信號，用來控制開關功率管的導通和關斷時間，以決定高頻變壓器的通斷狀態(tài)，從而達到輸出穩(wěn)壓的目的。圖l中，R5用來限制C8產生的充電峰值電流?？紤]到Vi及Vref上的噪聲電壓也會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，保護芯片不致?lián)p壞。

　　2 UC3842保護電路的缺陷

　　2.l 過載保護的缺陷

　　當電源過載或輸出短路時，UC3842的保護電路動作，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?shù)偷経C3842不能工作時，整個電路關閉，然后通過R6扦始下一次啟動過程。這種保護被稱為“打嗝”式（hiccup）保護。在這種保護狀態(tài)下，電源只工作幾個開關周期，然后進入很長時間（幾百ms到幾s）的啟動過程，因此，它的平均功率很低。但是，由于變壓器存在漏感等原因，有的開關電源在每個開關周期都有很高的開關尖峰電壓，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，所以不能實現(xiàn)理想的保護功能。

　　2.2過流保護的缺陷

　　UC3842的過流保護功能是通過腳3實現(xiàn)的。當腳3上檢測的電壓高于lV時，就會使UC3842內部的比較器翻轉，將PWM鎖存器置零，使脈沖調制器處于關閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)了電路的過流保護。由于檢測電阻能感應出峰值電感電流，所以自然形成逐個脈沖限流電路，只要檢測電阻上的電平達到lV，脈寬調制器立即關閉，因此這種峰值電感電流檢測技術可以精確限制輸出的最大電流，使得開關電源中的磁性元件和功率器件不必設計較大的余量，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，當電流流過取樣電阻時，就會感生一定的感性電壓。這個電感分量在高頻時呈現(xiàn)的阻抗會很大，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，這樣將會引起UC3842的誤操作，甚至會引起炸機。因此，UC3842的這種過流保護功能有時難以起到很好的保護作用，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，整個電路就會產生分諧波振蕩，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時刻，開關開始導通，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時刻，電流取樣輸入達到由控制電壓建立的門限，這導致開關斷開，電流以斜率m2衰減，直至下一個振蕩周期。如果此時有一個擾動加到控制電壓上，那么它將產生一個△I，這樣我們就會發(fā)現(xiàn)電路存在著不穩(wěn)定的情況，即在一個固定的振蕩器周期內，電流衰減時閘減少，最小電流開關接通時刻t2上升了△I+△Im2/m1，最小電流在下一個周期t3減小到（△I+△Im2/m4）（m2/m1），在每一個后續(xù)周期，該擾動m2／m1被相乘，在開關接通時交替增加和減小電感電流，也許需要幾個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，將會不穩(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 保護電路的改進

　　針對上述分析，改進電路如圖3所示，該電路具有以下特點。

　　1）通過在UC3842的采樣電壓處接入一個射極跟隨器，從而在控制電壓上增加了一個與脈寬調制時鐘同步的人為斜坡，它可以在后續(xù)的周期內將△I擾動減小到零。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)也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。不過該補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超過它的標稱功率，因此也就不會出現(xiàn)炸機現(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傳輸時都需要傳輸時間，并不是輸出與輸入同時建立。如果把反饋信號接到UC3842的電壓反饋端，則反饋信號需連續(xù)通過兩個高增益誤差放大器，傳輸時間增長。由于TL431本身就是一個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（基準電壓腳）拉了一個電阻到腳l，腳2通過R18接地。這樣做的好處是，跳過了UC3842的內部放大器，從而把反饋信號的傳輸時間縮短了一半，使電源的動態(tài)響應變快。另外，直接控制UC3842的腳l還可簡化系統(tǒng)的頻率補償以及輸出功率小等問題。

　　4 實驗結果

　　圖4給出了UC3842檢測電阻的電壓波形和采樣信號波形。從圖4中可以看出，經過改進后的電路，其采樣信號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 結語

　　UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制器，但在實際的應用過程中，它的保護電路存在著一定的缺陷，因此，在電源的設計過程中，必須對其保護電路進行改進。實驗證明，經過改進后的保護電路使系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定可靠。