采用UC3842單端反激式開關電源設計

1、采用UC3842單端反激式開關電源設計UC3842是由Unitrode公司開發(fā)的新型控制器件，是國內應用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調制器。所謂電流型脈寬調制器是按反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是比較理想的新型的控制器閉。 電路設計和原理11 UC3842工作原理 uc3842中文資料下載 UC3842是單電源供電，帶電流正向補償，單路調制輸出的集成芯片，其內部組

2、成框圖如圖l所示。其中腳1外接阻容元件，用來補償誤差放大器的頻率特性。腳2是反饋電壓輸入端，將取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電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓。腳3是電流檢測輸入端，與電阻配合，構成過流保護電路。腳4外接鋸齒波振蕩器外部定時電阻與定時電容，決定振蕩頻率，基準電壓VREF為05V。輸出電壓將決定變壓器的變壓比。由圖1可見，它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調制鎖存等功能電路。UC3842主要用于高頻中小容量開關電源，用它構成的傳統(tǒng)離線式反激變換器電路在驅動隔離輸出的單端開關時，通常將誤差比較器的反向輸入端通過反饋繞組經(jīng)電阻分壓得到的信號與

3、內部25V基準進行比較，誤差比較器的輸出端與反向輸入端接成PI補償網(wǎng)絡，誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進行比較，從而控制PWM序列的占空比，達到電路穩(wěn)定的目的。12 系統(tǒng)原理 本文以UC3842為核心控制部件，設計一款AC 220V輸入，DC 24V輸出的單端反激式開關穩(wěn)壓電源。開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應特性。 主要的功能模塊包括：啟動電路、過流過壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。電路原理圖如圖2所示。121 啟動電路 如圖2所示交流電由

4、C16、L1、C15以及C14、C13進行低通濾波，其中C16、C15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；C14、C13、L1組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)D1D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動直流電壓，此電壓經(jīng)R1降壓后給C8充電，當C8的電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作并提供驅動脈沖，由腳6輸出推動開關管工作。隨著UC3842的啟動，R1的工作也就基本結束，余下的任務交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過了UC3842的工作，為了避

5、免意外，用D10穩(wěn)壓管限定UC3842的輸入電壓，否則將出現(xiàn)UC3842被損壞的情況。122 短路過流、過壓、欠壓保護電路 由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時會導致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護功能。如圖2所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關管的漏極電流將大幅度上升，R9兩端的電壓上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值03V達到1V(即電流超過15A)時，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。這時，UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而保護了電路。如果

6、供電電壓發(fā)生過壓(在265V以上)，UC3842無法調節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V，UC3842的腳1電壓也下降，當下降lV(正常值是34V)以下時，PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路，這時輸出電流將成倍增大，使得自動恢復開關RF內部的熱量激增，它立即斷開電路，起到過壓保護作用。一旦故障排除，自動恢復開關RF在5s之內快速恢復阻抗。因此，此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護。123 反饋電路 反饋電路采用精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817

7、。利用TL43l可調式精密穩(wěn)壓器構成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調整。如圖2所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時，取樣電壓VR7也隨之升高，設定電壓大于基準電壓(TL431的基準電壓為25V)，使TL431內的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內驅動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設置電壓下降，當輸出電壓低于設置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內的驅動三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內對PWM比

8、較器進行調節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計算的：先固定R7的阻值，再計算R8的阻值，即 124 整流濾波電路輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面。 (1)輸入電源的噪聲，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容C5，以濾除此噪聲干擾。 (2)高頻信號噪聲，開關電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用型濾波的方式。濾波電感采用150

9、H的電感，可濾除高頻噪聲。 (3)采用快速恢復二極管D6、D7整流?；诘蛪骸⒐牡?、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復時間短，有利于減少高頻噪聲。并聯(lián)整流二極管減小尖峰電壓 在大功率的整流電路中，次級整流橋電路存在較大雜散電感，輸出整流管在換流時，由于電路中存在寄生振蕩，整流管會承受較大的尖峰電壓，尖峰電壓的存在提高了對整流二極管的耐壓要求，也將帶來額外的電路損耗。整流橋的寄生振蕩產(chǎn)生于變壓器的漏感(或附加的諧振電感)與變壓器的繞組電容和整流管的結電容之間。 當副邊電壓為零時，在全橋整流器中4只二極管全部導通，輸出濾波電感電流處于自然續(xù)流狀態(tài)。而當副邊電壓變化為高電壓Vin/K(

10、K為變壓器變比)時，整流橋中有兩只二極管要關斷，兩只二極管繼續(xù)導通。這時候變壓器的漏感(或附加的諧振電感)就開始和關斷的整流二極管的電容諧振。即使采用快恢復二極管，二極管依然會承受至少兩倍的尖峰電壓，因此，必須采用有效的緩沖電路，有許多文獻對此作了研究，歸納起來有5種方式：RC緩沖電路，RCD緩沖電路，主動箝位緩沖電路，第三個繞組加二極管箝位緩沖電路，原邊側加二極管箝位緩沖電路。在這里提出另一種減小二極管尖峰電壓有效的方法：即整流二極管并聯(lián)，其具體的電路圖如圖3所示。 并且這種方法在大功率全橋移相DCDC電源變換器的項目中得到了應用，實驗波形驗證了該方法，實驗結果如圖4所示，其中圖4(a)是整

11、流橋電壓波形，可以看出，由于變壓器的漏感和二極管的結電容以及變壓器的繞組電容之間發(fā)生的高頻振蕩，使二極管存在很高的尖峰電壓；圖4(b)是采用并聯(lián)整流二極管之后整流橋電壓波形，明顯尖峰電壓減小很多，驗證了該方法的有效性。實驗結果及分析對設計的電路進行了實驗，圖5示出了實驗波形。圖5(a)上波形為UC3842的腳4三角波振蕩波形，下波形為UC3842的腳6驅動開關管的PWM波；圖5(b)上波形為滿載時輸出電壓直流分量Vdc，下波形為交流紋波Vripp。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動晶體管和MOSFET，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優(yōu)良、價

12、格低廉等優(yōu)點，在100W以下的開關電源中有很好的應用前景。UC3842的電動車用開關電源設計 UC3842的電動車用開關電源設計直流無刷電機的控制模塊是采用微控制器的數(shù)字控制的電子系統(tǒng)。基于UC3842高性能電流模式PWM發(fā)生器控制的開關電源適合應用于此類系統(tǒng)。本設計通過小型高頻變壓器實現(xiàn)輸出和輸入的完全隔離，不僅提高了電源的效率，簡化了外圍電路，也降低了電源的成本和體積。電源輸出電壓穩(wěn)定，波紋小，不間斷，性能可靠。 1 單端反激式變換電路的基本結構 單端反激式變換的典型結構如圖1。單端是指變壓器的磁心僅工作在磁滯回線的一側；反激是指當開關管導通時，在初級線圈中儲存能量，而次級線圈不通；當開關

13、管關閉的時候，初級線圈中的能量通過次級線圈釋放給負載。這是一種成本低的調整器，可以做到輸入輸出部分的完全隔離，有較好的電壓調整率。 2 UC3842芯片的性能特點 UC3842芯片是Unitrode公司的產(chǎn)品，是一種高性能的單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。其原理框圖如圖2所示。 由5V基準電壓源、控制占空比調定的振蕩器、電流測定比較器、PWM 鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等組成。其主要特點是：外接元件少，外圍電路簡單，價格便宜。 無需輸入變壓器，起動電流小(2.5 V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦U2控制端電流增大，UC3842的反饋端(V

14、FB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關管的導通時間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達到穩(wěn)壓目的。同時，整個電源系統(tǒng)的輸入、輸出被隔離，UC23842受到的干擾減少。 在對電壓精度要求高的場合，會把電壓反饋信號從補償端(CMOP)輸入，不用UC3842的內部放大器，因此反饋信號的傳輸縮短了一個放大器的傳輸時間，使電源的動態(tài)響應更快。3.4 整流濾波電路 輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面：輸入電源的噪聲，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的

15、方案是在電源輸入端加電容E1，以濾除此噪聲干擾。 高頻信號噪聲，開關電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用型濾波的方式。濾波電感采用150 uH的電感，可濾除高頻噪聲。 采用肖特基二極管D2整流?；谒蛪?，功耗低，大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復時間短，有利于減少高頻噪聲。 為了減少共模噪聲，在輸出地和輸入地之間接電容 。 3.5 導通時序 如圖4所示，在負載不同的時候，其時序電路是不一樣的。在滿載時絕大多數(shù)始終周期是導通的，也就是

16、導通的頻率高，中等負載會跳過一部分始終周期，而輕載時要跳過大部分的始終電路，只有少數(shù)始終周期是導通的，這樣導通周期的頻率是很低的。圖中，Uo是輸出電壓，CLK是UC3842的基準脈沖，D是UC3842的輸出脈沖，Id是流過開關管的電流，Ud是變壓器初級繞組下端(開關管MOSFET漏級)的電壓。 基于UC3842/UC3843的隔離單端反激式開關電源設計開關電源以其高效率、小體積等優(yōu)點獲得了廣泛應用。傳統(tǒng)的開關電源普遍采用電壓型脈寬調制(PWM)技術，而近年電流型PWM技術得到了飛速發(fā)展。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調整率和負載調整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性也得以明顯改善，特別是

17、其內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電源的發(fā)展和應用，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轉換器 -轉換器是開關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、半橋式和全橋式轉換器。下面重點分析隔離式單端反激轉換電路，電路結構圖如圖1所示。-電路工作過程如下：當M1導通時，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

18、器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載；當M1截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉，使VD導通，給輸出電容C充電，同時負載R上也有電流I流過。M1導通與截止的等效拓撲如圖2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，又增加了一個電感電流反饋環(huán)節(jié)，并以此電流反饋作為PWM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V導通，則有-LdiL/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=R1iL送到脈寬比較器A2與Ue比較，當UdUe，A2輸出高電平

19、，送到RS鎖存器的復位端，此時或非門的兩個輸入中必有一個高電平，經(jīng)過或非門輸出低電平關斷功率開關管V。當時鐘輸出為高電平時，或非門輸出始終為低電平，封鎖PWM，這段時間由時鐘振蕩器OSC輸出脈沖寬度決定，即PWM信號的死區(qū)時間。在振蕩器輸出脈沖下降同時，或非門兩輸入均為低電平，經(jīng)或非門輸出為高電平，V導通。 -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

20、、振蕩器、內部基準電源和欠壓鎖定等單元，其結構圖如圖5所示。 -各管腳功能簡介如下。-1腳COMP是內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，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，此腳與內部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較，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，在功率開關管(如VMos管)的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當電源電壓異常時，功率開關管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護

21、了功率開關管。-4腳RT/CT是定時端。鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時電阻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，驅動能力是lA。這種圖騰柱結構對被驅動的功率管的關斷有利，因為當三極管VTl截止時，VT2導通，為功率管關斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關斷。-7腳Vcc是電源。當供電電壓低于 16V時，UC3824不工作，此時耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個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。工作時耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。-8腳VREF是基準電壓輸出，可輸出精確的+5V基準電壓，電流可達50mA。-UV3842的電壓調整率可達0.01%，工作頻率為500kHz，啟動電流小于1mA，輸入電壓為1030V，基準電壓為4.95.1V，工作溫度為070，輸出電流為1A。-開關穩(wěn)壓電源 -由UC3842構成的開關電源電路如圖6所示，T為高頻變壓器。剛開機時，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UC3