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老芯片大学问-UC3842实际应用案例剖析

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发表于 2017-10-25 13:41:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1.UC3842的基本应用
1.UC3842 内部工作原理简介
图1 示出了UC3842 内部框图和引脚图,UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8 个引脚,各脚功能如下:
①脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性;
②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度;
③脚为电流检测输入端, 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态;
④脚为定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.72/(RT×CT);
⑤脚为公共地端;
⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ;
⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW;
⑧脚为5V 基准电压输出端,有50mA的负载能力。

图1 UC3842 内部原理框图
2.UC3842 组成的开关电源电路
图2 是由UC3842 构成的开关电源电路,220V 市电由C1、L1 滤除电磁干扰,负温度系数的热敏电阻Rt1限流,再经VC 整流、C2 滤波,电阻R1、电位器RP1 降压后加到UC3842 的供电端(⑦脚),为UC3842 提供启动电压,电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842 提供正常工作电压,另一方面经R3、R4 分压加到误差放大器的反相输入端②脚,为UC3842 提供负反馈电压,其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小,以此稳定输出电压。④脚和⑧脚外接的R6、C8 决定了振荡频率,其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C6用于改善增益和频率特性。⑥脚输出的方波信号经R7、R8 分压后驱动MOSFEF 功率管,变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组,经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻R10 用于电流检测,经R9、C9 滤滤后送入UC3842 的③脚形成电流反馈环. 所以由UC3842 构成的电源是双闭环控制系统,电压稳定度非常高,当UC3842 的③脚电压高于1V 时振荡器停振,保护功率管不至于过流而损坏。
电路上电时,外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用下,芯片开始工作,脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚,维护系统的正常工作。电路正常工作后,取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器,与内部的基准电压进行比较,产生的误差信号送到脉宽调制电路,完成脉冲宽度的调制,从而达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高,则2脚的取样电压也变高,脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄,则开关功率管的导通时间变短,输出电压变低,从而使输出电压稳定,反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波,其周期取决于4脚外接的RC网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器,作为其工作周期,脉宽调制器输出的脉冲周期不变,而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。
3 电路的调试
此电路的调试需要注意:一是调节电位器RP1使电路起振,起振电流在1mA左右;二是起振后变压器③④绕组提供的直流电压应能使电路正常工作,此电压的范围大约为11~17V 之间;三是根据输出电压的数值大小来改变R4,以确定其反馈量的大小;四是根据保护要求来确定检测电阻R10 的大小,通常R10 是2W、1Ω以下的电阻。
图2 UC3842 构成的开关电源
2.UC3842开关电源保护的几个技巧
用UC3842做的开关电源的典型电路见图1。
过载和短路保护,一般是通过在开关管的源极串一个电阻(R4),把电流信号送到3842的第3脚来实现保护。当电源过载时,3842保护动作,使占空比减小,输出电压降低,3842的供电电压Vaux也跟着降低,当低到3842不能工作时,整个电路关闭,然后靠R1、R2开始下一次启动过程。这被称为“打嗝”式(hiccup)保护。
在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程,平均功率很低,即使长时间输出短路也不会导致电源的损坏。由于漏感等原因,有的开关电源在每个开关周期有很大的开关尖峰,即使在占空比很小时,辅助电压Vaux也不能降到足够低,所以一般在辅助电源的整流二极管上串一个电阻(R3),它和C1形成RC滤波,滤掉开通瞬间的尖峰。仔细调整这个电阻的数值,一般都可以达到满意的保护。使用这个电路,必须注意选取比较低的辅助电压Vaux,对3842一般为13~15V,使电路容易保护。
图2、3、4是常见的电路。
图2采取拉低第1脚的方法关闭电源。
图3采用断开振荡回路的方法。
图4采取抬高第2脚,进而使第1脚降低的方法。
在这3个电路里R3电阻即使不要,仍能很好保护。注意电路中C4的作用,电源正常启动,光耦是不通的,因此靠C4来使保护电路延迟一段时间动作。在过载或短路保护时,它也起延时保护的左右。在灯泡、马达等启动电流大的场合,C4的取值也要大一点。
图1是使用最广泛的电路,然而它的保护电路仍有几个问题:
1. 在批量生产时,由于元器件的差异,总会有一些电源不能很好保护,这时需要个别调整R3的数值,给生产造成麻烦;
2. 在输出电压较低时,如3.3V、5V,由于输出电流大,过载时输出电压下降不大,也很难调整R3到一个理想的数值;
3. 在正激应用时,辅助电压Vaux虽然也跟随输出变化,但跟输入电压HV的关系更大,也很难调整R3到一个理想的数值。
这时如果采用辅助电路来实现保护关断,会达到更好的效果。辅助关断电路的实现原理:在过载或短路时,输出电压降低,电压反馈的光耦不再导通,辅助关断电路当检测到光耦不再导通时,延迟一段时间就动作,关闭电源。

3.UC3842应用于电压反馈电路中的探讨
通常,PWM型开关电源把输出电压的采样作为PWM控制器的反馈电压,该反馈电压经PWM控制器内部的误差放大器后,调整开关信号的占空比以实现输出电压的稳定。但不同的电压反馈电路,其输出电压的稳定精度是不同的。
1 概述
本文首先对电流型脉宽控制器UC3842(内部电路图如图1所示)常用的三种稳定输出电压电路作了介绍,分析其各自的优缺点,在此基础上设计了一种新的电压反馈电路,实验证明这种新的电路具有很好的稳压效果。
图1 UC3842电路结构图
2 UC3842常用的电压反馈电路
2.1 输出电压直接分压作为误差放大器的输入
如图2所示,输出电压Vo经R2及R4分压后作为采样信号,输入UC3842脚2(误差放大器的反向输入端)。误差放大器的正向输入端接UC3842内部的2.5V的基准电压。当采样电压小于2.5V时,误差放大器正向和反向输出端之间的电压差经放大器放大后,调节输出电压,使得UC3842的输出信号的占空比变大,输出电压上升,最终使输出电压稳定在设定的电压值。R3与C1并联构成电流型反馈。
这种电路的优点是采样电路简单,缺点是输入电压和输出电压必须共地,不能做到电气隔离。势必引起电源布线的困难,而且电源工作在高频开关状态,容易引起电磁干扰,必然带来电路设计的困难,所以这种方法很少使用。
图2  输出电压直接分压采样
2.2 辅助电源输出电压分压作为误差放大器的输入
如图3所示,当输出电压升高时,单端反激式变压器T的辅助绕组上产生的感应电压也升高,该电压经过D2,D3,C15,C14,C13和R15组成的整流、滤波和稳压网络后得到一直流电压,给UC3842供电。同时该电压经R2及R4分压后作为采样电压,送入UC3842的脚2,在与基准电压比较后,经误差放大器放大,使脚6输出脉冲的占空比变小,输出电压下降,达到稳压的目的。同样,当输出电压降低时,使脚6输出脉冲的占空比变大,输出电压上升,最终使输出电压稳定在设定的值。
图3 辅助电源输出电压分压采样
这种电路的优点是采样电路简单,副边绕组、原边绕组和辅助绕组之间没有任何的电气通路,容易布线。缺点是并非从副边绕组直接得到采样电压,稳压效果不好,实验中发现,当电源的负载变化较大时,基本上不能实现稳压。该电路适用于针对某种固定负载的情况。
2.3 采用线性光耦改变误差放大器的输入误差电压
如图4所示,该开关电源的电压采样电路有两路:一是辅助绕组的电压经D1,D2,C1,C2,C3,R9组成的整流、滤波和稳压后得到16V的直流电压给UC3842供电,另外,该电压经R2及R4分压后得到一采样电压,该路采样电压主要反映了直流母线电压的变化;另一路是光电耦合器、三端可调稳压管Z和R4,R5,R6,R7,R8组成的电压采样电路,该路电压反映了输出电压的变化;当输出电压升高时,经电阻R7及R8分压后输入Z的参考电压也升高,稳压管的稳压值升高,流过光耦中发光二极管的电流减小,流过光耦中的光电三极管的电流也相应的减小,误差放大器的输入反馈电压降低,导致UC3842脚6输出驱动信号的占空比变小,于是输出电压下降,达到稳压的目的。
图4 采用辅助电源采样和光耦采样综合
该电路因为采用了光电耦合器,实现了输出和输入的隔离,弱电和强电的隔离,减少了电磁干扰,抗干扰能力较强,而且是对输出电压采样,有很好的稳压性能。缺点是外接元器件增多,增加了布线的困难,增加了电源的成本。
3 线性光耦改变误差放大器增益电压反馈电路及实验结果
3.1 采用线性光耦改变误差放大器的增益
如图5所示,该电压采样及反馈电路由R2,R5,R6,R7,R8,C1,光电耦合器、三端可调稳压管Z组成。当输出电压升高时,输出电压经R7及R8分压得到的采样电压(即Z的参考电压)也升高,Z的稳压值也升高,流过光耦中发光二极管中的电流减小,导致流过光电三极管中的电流减小,相当于C1并联的可变电阻的阻值变大(该等效电阻的阻值受流过发光二极管电流的控制),误差放大器的增益变大,导致UC3842脚6输出驱动信号的占空比变小,输出电压下降,达到稳压的目的。当输出电压降低时,误差放大器的增益变小,输出的开关信号占空比变大,最终使输出电压稳定在设定的值。因为,UC3842的电压反馈输入端脚2接地,所以,误差放大器的输入误差总是固定的,改变的是误差放大器的增益(可将线性光耦中的光电三极管视为一可变电阻),其等效电路图如图6所示。
图5 采用光耦改变误差放大器的增益
图6 改变误差放大器增益的等效电路
该电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放大器的输出,从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少,而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管,使得输出电压在负载发生较大的变化时,输出电压基本上没有变化。实验证明与上述三种反馈电路相比,该电路具有很好的稳压效果。
3.2   实验结果
将这种新的采用线性光耦改变误差放大器增益的电压反馈电路,用于一48V/12V的单端反激式DC/DC开关电源(最大输出电流5A),显示该电源输出电压稳定,带负载能力强。图7(a)-(h)分别给出了当负载为100Ω,25Ω,10Ω,3Ω时的输出电压和驱动波形,从波形可以看出,当负载电流逐渐增大时,驱动信号的占空比相应增大,但输出电压始终稳定在12.16V。

4 结语
在单端隔离式PWM型电源中,电流型脉宽调制器UC3842有着广阔的应用范围,本文在分析了三种常用的电压反馈电路的基础上,设计了一种新的采用线性光耦改变UC3842误差放大器增益的电压反馈电路。实验证明,新的电压反馈电路使得稳压精度高,负载适应性强。
4.一款用UC3842设计的电动车充电器工作原理分析(附图):
UC3842工作原理:
该电路的电源部分使用单端式脉宽调制型开关电源,脉宽调制IC使用的是UC3842。UC3842是一种电流型脉宽控制器,它可以直接驱动MOS管、IGBT等,适合于制作单端电路。
220V整流滤波后的约300V直流电压经电阻R1降压后加到UC3842的供电端(7端),为UC3842提供启动电压,UC3842内部设有欠压锁定电路,其开启和关闭阈值分别为16V和10V。在开启之前,UC3842消耗的电流在1mA以内。启动正常工作后,它的消耗电流约为15mA。反馈绕组为其提供维持正常工作电压。由于漏感等原因,开关电源在每个开关周期有很大的开关尖峰,即使在占空比很小时,辅助电压也不能降到足够低,所以辅助电源的整流二极管上串一个电阻(R3),它和C9形成RC滤波,滤掉开通瞬间的尖峰。接在4脚的R5、C6决定了开关电源的工作频率。计算公式为:Fosc (kHz) = 1.72 / (RT (k) × CT (uf)),此电路的工作频率为40KHz。
过载和短路保护,通过在开关管的源极串一个电阻(R12),把电流信号经R10、R11送到3842的第3脚来实现保护。当电源过载时,3842保护动作,使占空比减小,输出电压降低,3842的供电电压也跟着降低,当低到3842不能工作时,整个电路关闭,然后靠R1开始下一次启动过程。在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(约500ms)的启动过程,平均功率很低,即使长时间输出短路也不会导致电源的损坏。
稳压过程:
UC3842的2脚是电压检测端。输出电压经R18、R19、W1分压为U4(TL431)参考端(1脚)提供参考电压。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在参考端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极(3脚)到阳极(2脚)很宽范围的分流,控制输出电压。若输出电压增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加。线性光耦(U2)的发光二极管亮度增加,输出电阻减小。UC3842的2脚电压升高,驱动脉宽减小。最终使电压稳定下来。
充电过程:
当BATT+、BATT-接上畜电池时,畜电池正端经R13、D10使K1吸合。充电回路闭合,畜电池开始充电。当畜电池接反时,由于D10反向截止,K1不会吸合,充电回路处于断开状态。不会烧坏R14、D7、D8、C11等元件。
刚充电时,畜电池电压很低,充电电流会很大。R14两端的压降大于U3A的2脚R23、R24的分压电压,U3A输出高电平,D13(红色,充电指示灯)亮。当充电电流达到1.8A时,R14两端的压降等于U5A的3脚R30、R31的分压电压,U5A开始起控。只要输出电流有一点增加,U5A的1脚随即输出低电平,U2的1、2脚电流增加,4、5脚电阻减小,U1的2脚电压升高,输出电压下降,最终使电流恒定在1.8A。
随着充电时间的增加,畜电池的电压也渐渐上升,当充电电压达到最高充电电压(44V)时。U4的参考端电压将达到2.5V,U4开始起控,使电压稳定下来。调节W1可以微调电压值。此时电流不再恒定,而是渐渐减小。U5A也不再起控,一直处于高电平输出状态,由于D17的反向截止,不会影响输出电压。
当充电电流小于0.4A时,R14两端的压降小于U3A的2脚R23、R24的分压电压,U3A输出低电平,D13灭。此时U3B的5脚电压高于6脚电压,7脚输出高电平,D14(绿色,电源/浮充指示灯)亮,表示已充满,进入浮充状态。同时经R27限流,D15稳压,通过R28、D9、W2使U4的参考端电压增加,从而使最大充电电压降为浮充电压。调节W2可微调浮充电压。
5.UC3842的开关电源保护电路的改进
1.UC3842的典型应用电路
UC3842的典型应用电路如图1所示。该电路主要由桥式整流电路,高频变压器,MOS功率管以及电流型脉宽调制芯片UC3842构成。其工作原理为:220V的交流电经过桥式整流滤波电路后,得到大约+300V的直流高压,这一直流电压被M0S功率管斩波并通过高频变压器降压,变成频率为几十kHz的矩形波电压,再经过输出整流滤波,就得到了稳定的直流输出电压。其中高频变压器的自馈线圈N2中感应的电压,经D2整流后所得到的直流电压被反馈到UC3842内部的误差放大器并和基准电压比较得到误差电压Vr,同时在取样电阻R11上建立的直流电压也被反馈到UC3842电流测定比较器的同柑输入端,这个检测电压和误差电压Vt相比较,产生脉冲宽度可调的驱动信号,用来控制开关功率管的导通和关断时间,以决定高频变压器的通断状态,从而达到输出稳压的目的。图l中,R5用来限制C8产生的充电峰值电流。考虑到Vi及Vref上的噪声电压也会影响输出的脉冲宽度,因此,在UC3842的脚7和脚8上分别接有消噪电容C4和C2。R7是MOS功率管的栅极限流电阻。另外,在UC3842的输入端与地之间,还有34V的稳压管,一旦输入端出现高压,该稳压管就被反向击穿,将Vi钳位于34V,保护芯片不致坏。
2 UC3842保护电路的缺陷
2.1过载保护的缺陷
当电源过载或输出短路时,UC3842的保护电路动作,使输出脉冲的占空比减小,输出电压降低,UC3842的供电电压也跟着降低,当低到UC3842不能工作时,整个电路关闭,然后通过R6扦始下一次启动过程。这种保护被称为“打嗝”式(hiccup)保护。在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程,因此,它的平均功率很低。但是,由于变压器存在漏感等原因,有的开关电源在每个开关周期都有很高的开关尖峰电压,即使在占空比很小的情况下,辅助供电电压也不能降到足够低,所以不能实现理想的保护功能。
2.2电路稳定性的缺陷
在图l所示的电路中,当电源的占空比大于50%,或变压器工作在连续电流条件下时,整个电路就会产生分谐波振荡,引起电源输出的不稳定。图2表示了变压器中电感电流的变化过程。没在t0时刻,开关开始导通,使电感电流以斜率m1上升,该斜率是输入电压除以电感的函数。t1时刻,电流取样输入达到由控制电压建立的门限,这导致开关断开,电流以斜率m2衰减,直至下一个振荡周期。如果此时有一个扰动加到控制电压上,那么它将产生一个△I,这样我们就会发现电路存在着不稳定的情况,即在一个固定的振荡器周期内,电流衰减时闸减少,最小电流开关接通时刻t2上升了△I+△Im2/m1,最小电流在下一个周期t3减小到(△I+△Im2/m4)(m2/m1),在每一个后续周期,该扰动m2/m1被相乘,在开关接通时交替增加和减小电感电流,也许需要几个振荡器周期才能使电感电流为零,使过程重新开始,如果m2/m1大于l,变换器将会不稳定。因此,图l所示的电路在某状态下存在着一定的失稳隐患。
3 保护电路的改进
针对上述分析,改进电路如图3所示,该电路具有以下特点。
1)通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器,从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡,它可以在后续的周期内将△I扰动减小到零。因此,即使系统工作在占空比大于50%或连续的电感电流条件下,系统也不会出现不稳定的情况。不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2/2,系统才能具有真正的稳定性。
2)取样电阻改用无感电阻。无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻,其精度高且容易做到大功率。采用无感电阻后,其阻抗不会随着频率的增加而增加。这样,即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率,因此也就不会出现炸机现象。
3)反馈电路改用TL43l加光耦来控制。我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间,并不是输出与输入同时建立。如果把反馈信号接到UC3842的电压反馈端,则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器,传输时间增长。由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器,因此,在图3中直接采用脚1做反馈,从UC3842的脚8(基准电压脚)拉了一个电阻到脚l,脚2通过R18接地。这样做的好处是,跳过了UC3842的内部放大器,从而把反馈信号的传输时间缩短了一半,使电源的动态响应变快。另外,直接控制UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。
——文章来源:融创芯城
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