电流控制型脉宽调制器UC3842在开关电源中的应用
电流控制型脉宽调制器uc3842在开关电源中的应用
引言
开关稳压电源被誉为“新型高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向。由于内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量极低，电源效率可以达到80%以上，比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍。随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展，高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的应用。本文首先概述开关稳压电源的基本工作原理，接着介绍电流型脉宽调制器uc3842芯片，着重论述了uc3842在开关稳压电源中的应用，并以一个实际应用实例分析了电源电路的构成和参数计算。
开关电源的基本工作原理
相对于线性稳压电源功耗较大的缺点，开关电源的效率可达90%以上，而且造价低、体积小。开关电源的工作原理如图1所示，它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等构成。
在图1中，三角波发生器的输出波形加到比较器的反相端，其同相端接比较放大器的输出vf。当三角波的幅度小于比较器的同相输入时，比较器输出高电平，对应调整管导通的时间为ton。反之，当三角波的幅度大于比较器的同相输入时，对应调整管的截至时间为toff。为了稳定电压输出，按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器之间的联系。假设输出电压增加，则fvo增加，比较放大器的输出vf减小，那么比较器的输出波形中toff增加，从而使调整管的导通时间减小，输出电压下降，起到稳压的作用。如果忽略电感的直流电阻，那么输出电压vo为调整管发射极电压ve的平均分量，于是有：
其中，q为占空比。在输入电压一定的时候，输出电压与占空比正比，通过改变比较器输出波形的占空比就可以控制输出电压的幅值。
图1 开关电源的工作原理
uc3842的工作原理
uc3842是美国unitorde公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少，外围电路简单，电压调整率可达0.01%，工作频率高达500khz，启动电流小于1ma，正常工作电流为5ma，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及pwm锁存器电路。其内部结构及基本外围电路如图2所示。
图2 uc3842的内部结构及基本外围电路
uc3842是8脚的双列直插的封装形式。如图2所示，第1脚为补偿脚，内部误差放大器的输出端，外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响。第2脚是反馈脚，将采样电压加到误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，产生误差电压，控制脉冲的宽度。第3脚为电流传感端，在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻，构成过流保护电路。当电源电压异常时，功率管的电流增大，当采样电阻上的电压超过1v时，uc3842就停止输出，有效地保护了功率管。第4脚为锯齿振荡器外部定时电阻r与定时电容c的公共端。第5脚为地。第6脚为图腾柱式输出电压，当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速了功率管的关断。第7脚为输入电压，开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于16v的电压，芯片工作后，输入电压可以在10～30v之间波动，低于10v时停止工作。第8脚为内部5.0v的基准电压输出，电流可达50ma。
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。
实际应用电路
图3 开关稳压电源系统总体框图
根据uc3842的特点，设计一个30～36v可调的开关型稳压电源，其总体结构框图如图3所示。
交流输入后通过整流滤波得到直流电压，经过lm317后获得16.5v的直流电压，作为uc3842芯片的启动电压。芯片启动后通过脉宽调制控制功率管的开关从而实现稳压输出。控制电路的核心是uc3842，其后级的高速开关功率管要求满足一定的耐压值和足够大的额定电流。这里可以选用irf540，其耐压值高达100v，额定电流可以达到33a。高频变压器的升压系数为1.2，采用双桥间距为0.3mm的铁氧铁芯，由直径0.65mm的铜丝绕制而成。高频变压器出来的脉动直流电压，先通过二极管整理，再通过3个50v/3300μf的电解电容，和由一个33μh电感和2个104的电容构成∏型滤波器进行滤波后输出。其uc3842的核心电路如图4所示。
图4 uc3842的核心电路图
如图4所示，uc3842的工作频率由4脚和8脚间的rt和ct决定的。理论上，其内部的振荡频率最高可达500khz。在本系统中rt和ct分别选用了10kω和0.045μf，根据公式：
可以计算得其工作频率约为40khz，符合开关电源的要求。在uc3842的2脚处接上一个10kω的电位器，通过调节电位器的阻值改变反馈电压，使脉宽的占空比发生变化，从而可以实现输出电压30～36v的连续可调变化。
结语
利用电流控制型脉宽调制芯片uc3842为核心设计的开关稳压电源，电路结构简单、成本低、体积小、易实现，并且可以克服电压型脉宽调制器开关稳压电源频响慢、电压调整率低和负载调整率低的缺点，具有广阔的应用前景。
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引言
开关稳压电源被誉为“新型高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向。由于内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量极低，电源效率可以达到80%以上，比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍。随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展，高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的应用。本文首先概述开关稳压电源的基本工作原理，接着介绍电流型脉宽调制器uc3842芯片，着重论述了uc3842在开关稳压电源中的应用，并以一个实际应用实例分析了电源电路的构成和参数计算。
开关电源的基本工作原理
相对于线性稳压电源功耗较大的缺点，开关电源的效率可达90%以上，而且造价低、体积小。开关电源的工作原理如图1所示，它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等构成。
在图1中，三角波发生器的输出波形加到比较器的反相端，其同相端接比较放大器的输出vf。当三角波的幅度小于比较器的同相输入时，比较器输出高电平，对应调整管导通的时间为ton。反之，当三角波的幅度大于比较器的同相输入时，对应调整管的截至时间为toff。为了稳定电压输出，按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器之间的联系。假设输出电压增加，则fvo增加，比较放大器的输出vf减小，那么比较器的输出波形中toff增加，从而使调整管的导通时间减小，输出电压下降，起到稳压的作用。如果忽略电感的直流电阻，那么输出电压vo为调整管发射极电压ve的平均分量，于是有：
其中，q为占空比。在输入电压一定的时候，输出电压与占空比正比，通过改变比较器输出波形的占空比就可以控制输出电压的幅值。
图1 开关电源的工作原理
uc3842的工作原理
uc3842是美国unitorde公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少，外围电路简单，电压调整率可达0.01%，工作频率高达500khz，启动电流小于1ma，正常工作电流为5ma，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及pwm锁存器电路。其内部结构及基本外围电路如图2所示。
图2 uc3842的内部结构及基本外围电路
uc3842是8脚的双列直插的封装形式。如图2所示，第1脚为补偿脚，内部误差放大器的输出端，外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响。第2脚是反馈脚，将采样电压加到误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，产生误差电压，控制脉冲的宽度。第3脚为电流传感端，在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻，构成过流保护电路。当电源电压异常时，功率管的电流增大，当采样电阻上的电压超过1v时，uc3842就停止输出，有效地保护了功率管。第4脚为锯齿振荡器外部定时电阻r与定时电容c的公共端。第5脚为地。第6脚为图腾柱式输出电压，当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速了功率管的关断。第7脚为输入电压，开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于16v的电压，芯片工作后，输入电压可以在10～30v之间波动，低于10v时停止工作。第8脚为内部5.0v的基准电压输出，电流可达50ma。
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。
实际应用电路
图3 开关稳压电源系统总体框图
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交流输入后通过整流滤波得到直流电压，经过lm317后获得16.5v的直流电压，作为uc3842芯片的启动电压。芯片启动后通过脉宽调制控制功率管的开关从而实现稳压输出。控制电路的核心是uc3842，其后级的高速开关功率管要求满足一定的耐压值和足够大的额定电流。这里可以选用irf540，其耐压值高达100v，额定电流可以达到33a。高频变压器的升压系数为1.2，采用双桥间距为0.3mm的铁氧铁芯，由直径0.65mm的铜丝绕制而成。高频变压器出来的脉动直流电压，先通过二极管整理，再通过3个50v/3300μf的电解电容，和由一个33μh电感和2个104的电容构成∏型滤波器进行滤波后输出。其uc3842的核心电路如图4所示。
图4 uc3842的核心电路图
如图4所示，uc3842的工作频率由4脚和8脚间的rt和ct决定的。理论上，其内部的振荡频率最高可达500khz。在本系统中rt和ct分别选用了10kω和0.045μf，根据公式：
可以计算得其工作频率约为40khz，符合开关电源的要求。在uc3842的2脚处接上一个10kω的电位器，通过调节电位器的阻值改变反馈电压，使脉宽的占空比发生变化，从而可以实现输出电压30～36v的连续可调变化。
结语
利用电流控制型脉宽调制芯片uc3842为核心设计的开关稳压电源，电路结构简单、成本低、体积小、易实现，并且可以克服电压型脉宽调制器开关稳压电源频响慢、电压调整率低和负载调整率低的缺点，具有广阔的应用前景。
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